src/gromacs/selection/selectioncollection.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2010,2011,2012,2013,2014,2015, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 /*! \file
  36  * \brief
  37  * Declares gmx::SelectionCollection.
  38  *
  39  * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@gmail.com>
  40  * \inpublicapi
  41  * \ingroup module_selection
  42  */
  43 #ifndef GMX_SELECTION_SELECTIONCOLLECTION_H
  44 #define GMX_SELECTION_SELECTIONCOLLECTION_H
  45
  46 #include <cstdio>
  47
  48 #include <string>
  49 #include <vector>
  50
  51 #include "gromacs/legacyheaders/types/oenv.h"
  52 #include "gromacs/selection/selection.h" // For gmx::SelectionList
  53 #include "gromacs/utility/classhelpers.h"
  54
  55 struct gmx_ana_indexgrps_t;
  56 struct t_pbc;
  57 struct t_topology;
  58 struct t_trxframe;
  59
  60 namespace gmx
  61 {
  62
  63 class Options;
  64 class SelectionCompiler;
  65 class SelectionEvaluator;
  66 class TextInputStream;
  67 class TextOutputStream;
  68
  69 /*! \brief
  70  * Collection of selections.
  71  *
  72  * This class is the main interface to the core of the selection engine.
  73  * It is used to initialize and manage a collection of selections that share
  74  * the same topology.  Selections within one collection can share variables and
  75  * can be optimized together.  Selections from two different collections do not
  76  * interact.
  77  *
  78  * The constructor creates an empty selection collection object.  To initialize
  79  * the object, either call initOptions(), or both setReferencePosType() and
  80  * setOutputPosType().  See these methods for more details on the
  81  * initialization options.
  82  *
  83  * After setting the default values, one or more selections can be parsed with
  84  * one or more calls to parseInteractive(), parseFromStdin(), parseFromFile(), and/or
  85  * parseFromString().  After all selections are parsed, the topology must be
  86  * set with setTopology() unless requiresTopology() returns false (the topology
  87  * can also be set earlier).
  88  * setIndexGroups() must also be called if external index group references are
  89  * used in the selections; it can be called at any point before compile().
  90  * Once all selections are parsed, they must be compiled all at once using
  91  * compile().
  92  *
  93  * After compilation, dynamic selections have the maximum number of atoms they
  94  * can evaluate to, but positions have undefined values (see \ref Selection and
  95  * SelectionPosition).  evaluate() can be used to update the selections for a
  96  * new frame.  evaluateFinal() can be called after all the frames have been
  97  * processed to restore the selection values back to the ones they were after
  98  * compile().
  99  *
 100  * At any point, requiresTopology() can be called to see whether the
 101  * information provided so far requires loading the topology.
 102  * printTree() can be used to print the internal representation of the
 103  * selections (mostly useful for debugging).
 104  *
 105  * Note that for trajectory analysis using TrajectoryAnalysisModule, the
 106  * SelectionCollection object is managed by Gromacs, and \ref Selection objects
 107  * are obtained from SelectionOption.
 108  *
 109  * \inpublicapi
 110  * \ingroup module_selection
 111  */
 112 class SelectionCollection
 113 {
 114     public:
 115         /*! \brief
 116          * Creates an empty selection collection.
 117          *
 118          * \throws  std::bad_alloc if out of memory.
 119          */
 120         SelectionCollection();
 121         ~SelectionCollection();
 122
 123         /*! \brief
 124          * Initializes options for setting global properties on the collection.
 125          *
 126          * \param[in,out] options Options object to initialize.
 127          * \throws        std::bad_alloc if out of memory.
 128          *
 129          * Adds options to \p options that can be used to set the default
 130          * position types (see setReferencePosType() and setOutputPosType())
 131          * and debugging flags.
 132          */
 133         void initOptions(Options *options);
 134
 135         /*! \brief
 136          * Sets the default reference position handling for a selection
 137          * collection.
 138          *
 139          * \param[in]     type      Default selection reference position type
 140          *     (one of the strings acceptable for
 141          *     PositionCalculationCollection::typeFromEnum()).
 142          * \throws  InternalError if \p type is invalid.
 143          *
 144          * Should be called before calling the parser functions, unless
 145          * initOptions() has been called.  In the latter case, can still be
 146          * used to override the default value (before initOptions() is called)
 147          * and/or the value provided through the Options object.
 148          *
 149          * Strong exception safety.
 150          */
 151         void setReferencePosType(const char *type);
 152         /*! \brief
 153          * Sets the default reference position handling for a selection
 154          * collection.
 155          *
 156          * \param[in]     type      Default selection output position type
 157          *     (one of the strings acceptable for
 158          *     PositionCalculationCollection::typeFromEnum()).
 159          * \throws  InternalError if \p type is invalid.
 160          *
 161          * Should be called before calling the parser functions, unless
 162          * initOptions() has been called.  In the latter case, can still be
 163          * used to override the default value (before initOptions() is called)
 164          * and/or the value provided through the Options object.
 165          *
 166          * Strong exception safety.
 167          */
 168         void setOutputPosType(const char *type);
 169         /*! \brief
 170          * Sets the debugging level for the selection collection.
 171          *
 172          * \param[in]   debugLevel  Debug level to set (0 = no debug
 173          *      information).
 174          *
 175          * initOptions() creates debugging options that can also be used to set
 176          * the debug level.  These are normally hidden, but if this method is
 177          * called before initOptions() with a non-zero \p debugLevel, they are
 178          * made visible.
 179          *
 180          * Mostly useful for debugging tools.
 181          *
 182          * Does not throw.
 183          */
 184         void setDebugLevel(int debugLevel);
 185
 186         /*! \brief
 187          * Returns true if the collection requires topology information for
 188          * evaluation.
 189          *
 190          * \returns true if any selection in the collection requires topology
 191          *      information.
 192          *
 193          * Before the parser functions have been called, the return value is
 194          * based just on the position types set.
 195          * After parser functions have been called, the return value also takes
 196          * into account the selection keywords used.
 197          *
 198          * Does not throw.
 199          */
 200         bool requiresTopology() const;
 201         /*! \brief
 202          * Sets the topology for the collection.
 203          *
 204          * \param[in]     top       Topology data.
 205          * \param[in]     natoms    Number of atoms. If <=0, the number of
 206          *      atoms in the topology is used.
 207          *
 208          * Either the topology must be provided, or \p natoms must be > 0.
 209          *
 210          * \p natoms determines the largest atom index that can be selected by
 211          * the selection: even if the topology contains more atoms, they will
 212          * not be selected.
 213          *
 214          * Does not throw currently, but this is subject to change when more
 215          * underlying code is converted to C++.
 216          */
 217         void setTopology(t_topology *top, int natoms);
 218         /*! \brief
 219          * Sets the external index groups to use for the selections.
 220          *
 221          * \param[in]  grps  Index groups to use for the selections.
 222          * \throws  std::bad_alloc if out of memory.
 223          * \throws  InconsistentInputError if a group reference cannot be resolved.
 224          *
 225          * Only the first call to this method can have a non-NULL \p grps.
 226          * At this point, any selections that have already been provided are
 227          * searched for references to external groups, and the references are
 228          * replaced by the contents of the groups.  If any referenced group
 229          * cannot be found in \p grps (or if \p grps is NULL and there are any
 230          * references), InconsistentInputError is thrown.
 231          *
 232          * The selection collection keeps a reference to \p grps until this
 233          * method is called with a NULL \p grps.
 234          * If this method is not called before compile(), it is automatically
 235          * called as setIndexGroups(NULL).
 236          */
 237         void setIndexGroups(gmx_ana_indexgrps_t *grps);
 238         /*! \brief
 239          * Parses selection(s) from standard input.
 240          *
 241          * \param[in]  count    Number of selections to parse
 242          *      (if -1, parse as many as provided by the user).
 243          * \param[in]  bInteractive Whether the parser should behave
 244          *      interactively.
 245          * \param[in]  context  Context to print for interactive input.
 246          * \returns    Vector of parsed selections.
 247          * \throws     std::bad_alloc if out of memory.
 248          * \throws     InvalidInputError if there is a parsing error
 249          *      (an interactive parser only throws this if too few selections
 250          *      are provided and the user forced the end of input).
 251          *
 252          * The returned objects remain valid for the lifetime of
 253          * the selection collection.
 254          * Some information about the selections only becomes available once
 255          * compile() has been called; see \ref Selection.
 256          *
 257          * The string provided to \p context should be such that it can replace
 258          * the three dots in "Specify selections ...:".  It can be empty.
 259          */
 260         SelectionList parseFromStdin(int count, bool bInteractive,
 261                                      const std::string &context);
 262         /*! \brief
 263          * Parses selection(s) interactively using provided streams.
 264          *
 265          * \param[in]  count    Number of selections to parse
 266          *      (if -1, parse as many as provided by the user).
 267          * \param[in]  inputStream  Stream to use for input.
 268          * \param[in]  outputStream Stream to use for output
 269          *      (if NULL, the parser runs non-interactively and does not
 270          *      produce any status messages).
 271          * \param[in]  context  Context to print for interactive input.
 272          * \returns    Vector of parsed selections.
 273          * \throws     std::bad_alloc if out of memory.
 274          * \throws     InvalidInputError if there is a parsing error
 275          *      (an interactive parser only throws this if too few selections
 276          *      are provided and the user forced the end of input).
 277          *
 278          * Works the same as parseFromStdin(), except that the caller can
 279          * provide streams to use instead of `stdin` and `stderr`.
 280          *
 281          * Mainly usable for unit testing interactive input.
 282          */
 283         SelectionList parseInteractive(int                count,
 284                                        TextInputStream   *inputStream,
 285                                        TextOutputStream  *outputStream,
 286                                        const std::string &context);
 287         /*! \brief
 288          * Parses selection(s) from a file.
 289          *
 290          * \param[in]  filename Name of the file to parse selections from.
 291          * \returns    Vector of parsed selections.
 292          * \throws     std::bad_alloc if out of memory.
 293          * \throws     InvalidInputError if there is a parsing error.
 294          *
 295          * The returned objects remain valid for the lifetime of
 296          * the selection collection.
 297          * Some information about the selections only becomes available once
 298          * compile() has been called; see \ref Selection.
 299          */
 300         SelectionList parseFromFile(const std::string &filename);
 301         /*! \brief
 302          * Parses selection(s) from a string.
 303          *
 304          * \param[in]  str      String to parse selections from.
 305          * \returns    Vector of parsed selections.
 306          * \throws     std::bad_alloc if out of memory.
 307          * \throws     InvalidInputError if there is a parsing error.
 308          *
 309          * The returned objects remain valid for the lifetime of
 310          * the selection collection.
 311          * Some information about the selections only becomes available once
 312          * compile() has been called; see \ref Selection.
 313          */
 314         SelectionList parseFromString(const std::string &str);
 315         /*! \brief
 316          * Prepares the selections for evaluation and performs optimizations.
 317          *
 318          * \throws  InconsistentInputError if topology is required but not set.
 319          * \throws  InvalidInputError if setIndexGroups() has not been called
 320          *      and there are index group references.
 321          * \throws  unspecified if compilation fails (TODO: list/reduce these).
 322          *
 323          * Before compilation, selections should have been added to the
 324          * collection using the parseFrom*() functions.
 325          * The compiled selection collection can be passed to evaluate() to
 326          * evaluate the selection for a frame.
 327          * Before the compiled selection is evaluated, the selections indicate
 328          * the maximal set of atoms/positions to which they can be evaluated;
 329          * see \ref Selection.
 330          *
 331          * If an error occurs, the collection is cleared.
 332          *
 333          * The covered fraction information is initialized to ::CFRAC_NONE for
 334          * all selections.
 335          */
 336         void compile();
 337         /*! \brief
 338          * Evaluates selections in the collection.
 339          *
 340          * \param[in] fr  Frame for which the evaluation should be carried out.
 341          * \param[in] pbc PBC data, or NULL if no PBC should be used.
 342          * \throws    unspeficied  Multiple possible exceptions to indicate
 343          *      evaluation failure (TODO: enumerate).
 344          */
 345         void evaluate(t_trxframe *fr, t_pbc *pbc);
 346         /*! \brief
 347          * Evaluates the largest possible index groups from dynamic selections.
 348          *
 349          * \param[in] nframes Total number of frames.
 350          *
 351          * This method restores the selections to the state they were after
 352          * compile().
 353          *
 354          * \p nframes should equal the number of times evaluate() has been
 355          * called.
 356          *
 357          * Does not throw.
 358          */
 359         void evaluateFinal(int nframes);
 360
 361         /*! \brief
 362          * Prints a human-readable version of the internal selection element
 363          * tree.
 364          *
 365          * \param[in] fp      File handle to receive the output.
 366          * \param[in] bValues If true, the evaluated values of selection
 367          *      elements are printed as well.
 368          *
 369          * The output is very techical, and intended for debugging purposes.
 370          *
 371          * Does not throw.
 372          */
 373         void printTree(FILE *fp, bool bValues) const;
 374         /*! \brief
 375          * Prints the selection strings into an XVGR file as comments.
 376          *
 377          * \param[in] fp   Output file.
 378          * \param[in] oenv Output options structure.
 379          *
 380          * Does not throw.
 381          */
 382         void printXvgrInfo(FILE *fp, output_env_t oenv) const;
 383
 384     private:
 385         class Impl;
 386
 387         PrivateImplPointer<Impl> impl_;
 388
 389         /*! \brief
 390          * Needed for the compiler to freely modify the collection.
 391          */
 392         friend class SelectionCompiler;
 393         /*! \brief
 394          * Needed for the evaluator to freely modify the collection.
 395          */
 396         friend class SelectionEvaluator;
 397 };
 398
 399 } // namespace gmx
 400
 401 #endif