Merge release-4-6 into release-5-0
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / selection / selelem.cpp
1 /*
2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3  *
4  * Copyright (c) 2009,2010,2011,2012,2013,2014, 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 /*! \internal \file
36  * \brief
37  * Implements functions in selelem.h.
38  *
39  * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@gmail.com>
40  * \ingroup module_selection
41  */
42 #include <cstring>
43
44 #include "gromacs/selection/indexutil.h"
45 #include "gromacs/selection/poscalc.h"
46 #include "gromacs/selection/position.h"
47 #include "gromacs/selection/selmethod.h"
48 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
49 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
50 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
51 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
52
53 #include "keywords.h"
54 #include "mempool.h"
55 #include "selelem.h"
56 #include "selmethod.h"
57
58 /*!
59  * \param[in] sel Selection for which the string is requested
60  * \returns   Pointer to a string that corresponds to \p sel->type.
61  *
62  * The return value points to a string constant and should not be \p free'd.
63  *
64  * The function returns NULL if \p sel->type is not one of the valid values.
65  */
66 const char *
67 _gmx_selelem_type_str(const gmx::SelectionTreeElement &sel)
68 {
69     switch (sel.type)
70     {
71         case SEL_CONST:      return "CONST";
72         case SEL_EXPRESSION: return "EXPR";
73         case SEL_BOOLEAN:    return "BOOL";
74         case SEL_ARITHMETIC: return "ARITH";
75         case SEL_ROOT:       return "ROOT";
76         case SEL_SUBEXPR:    return "SUBEXPR";
77         case SEL_SUBEXPRREF: return "REF";
78         case SEL_GROUPREF:   return "GROUPREF";
79         case SEL_MODIFIER:   return "MODIFIER";
80     }
81     return NULL;
82 }
83
84 /*!
85  * \param[in] val Value structore for which the string is requested.
86  * \returns   Pointer to a string that corresponds to \p val->type,
87  *   NULL if the type value is invalid.
88  *
89  * The return value points to a string constant and should not be \p free'd.
90  */
91 const char *
92 _gmx_sel_value_type_str(const gmx_ana_selvalue_t *val)
93 {
94     switch (val->type)
95     {
96         case NO_VALUE:       return "NONE";
97         case INT_VALUE:      return "INT";
98         case REAL_VALUE:     return "REAL";
99         case STR_VALUE:      return "STR";
100         case POS_VALUE:      return "VEC";
101         case GROUP_VALUE:    return "GROUP";
102     }
103     return NULL;
104 }
105
106 /*! \copydoc _gmx_selelem_type_str() */
107 const char *
108 _gmx_selelem_boolean_type_str(const gmx::SelectionTreeElement &sel)
109 {
110     switch (sel.u.boolt)
111     {
112         case BOOL_NOT:  return "NOT"; break;
113         case BOOL_AND:  return "AND"; break;
114         case BOOL_OR:   return "OR";  break;
115         case BOOL_XOR:  return "XOR"; break;
116     }
117     return NULL;
118 }
119
120
121 namespace gmx
122 {
123
124 SelectionTreeElement::SelectionTreeElement(e_selelem_t type)
125 {
126     this->type       = type;
127     this->flags      = (type != SEL_ROOT) ? SEL_ALLOCVAL : 0;
128     if (type == SEL_BOOLEAN)
129     {
130         this->v.type = GROUP_VALUE;
131         this->flags |= SEL_ALLOCDATA;
132     }
133     else
134     {
135         this->v.type = NO_VALUE;
136     }
137     _gmx_selvalue_clear(&this->v);
138     std::memset(&this->u, 0, sizeof(this->u));
139     this->evaluate   = NULL;
140     this->mempool    = NULL;
141     this->cdata      = NULL;
142 }
143
144 SelectionTreeElement::~SelectionTreeElement()
145 {
146     /* Free the children.
147      * Must be done before freeing other data, because the children may hold
148      * references to data in this element. */
149     child.reset();
150
151     freeValues();
152     freeExpressionData();
153     freeCompilerData();
154 }
155
156 void SelectionTreeElement::freeValues()
157 {
158     mempoolRelease();
159     if ((flags & SEL_ALLOCDATA) && v.u.ptr)
160     {
161         /* The number of position/group structures is constant, so the
162          * backup of using sel->v.nr should work for them.
163          * For strings, we report an error if we don't know the allocation
164          * size here. */
165         int n = (v.nalloc > 0) ? v.nalloc : v.nr;
166         switch (v.type)
167         {
168             case STR_VALUE:
169                 GMX_RELEASE_ASSERT(v.nalloc != 0,
170                                    "SEL_ALLOCDATA should only be set for allocated "
171                                    "STR_VALUE values");
172                 for (int i = 0; i < n; ++i)
173                 {
174                     sfree(v.u.s[i]);
175                 }
176                 break;
177             case GROUP_VALUE:
178                 for (int i = 0; i < n; ++i)
179                 {
180                     gmx_ana_index_deinit(&v.u.g[i]);
181                 }
182                 break;
183             default: /* No special handling for other types */
184                 break;
185         }
186     }
187     if (v.nalloc > 0)
188     {
189         if (v.type == POS_VALUE)
190         {
191             delete [] v.u.p;
192         }
193         else
194         {
195             sfree(v.u.ptr);
196         }
197     }
198     _gmx_selvalue_setstore(&v, NULL);
199     if (type == SEL_SUBEXPRREF && u.param)
200     {
201         u.param->val.u.ptr = NULL;
202     }
203 }
204
205 void
206 SelectionTreeElement::freeExpressionData()
207 {
208     if (type == SEL_EXPRESSION || type == SEL_MODIFIER)
209     {
210         _gmx_selelem_free_method(u.expr.method, u.expr.mdata);
211         u.expr.mdata  = NULL;
212         u.expr.method = NULL;
213         /* Free position data */
214         delete u.expr.pos;
215         u.expr.pos = NULL;
216         /* Free position calculation data */
217         if (u.expr.pc)
218         {
219             gmx_ana_poscalc_free(u.expr.pc);
220             u.expr.pc = NULL;
221         }
222     }
223     if (type == SEL_ARITHMETIC)
224     {
225         sfree(u.arith.opstr);
226         u.arith.opstr = NULL;
227     }
228     if (type == SEL_SUBEXPR || type == SEL_ROOT
229         || (type == SEL_CONST && v.type == GROUP_VALUE))
230     {
231         gmx_ana_index_deinit(&u.cgrp);
232     }
233     if (type == SEL_GROUPREF)
234     {
235         sfree(u.gref.name);
236     }
237 }
238
239 void SelectionTreeElement::mempoolReserve(int count)
240 {
241     if (!mempool)
242     {
243         return;
244     }
245     switch (v.type)
246     {
247         case INT_VALUE:
248             v.u.i = static_cast<int *>(
249                     _gmx_sel_mempool_alloc(mempool, sizeof(*v.u.i)*count));
250             break;
251
252         case REAL_VALUE:
253             v.u.r = static_cast<real *>(
254                     _gmx_sel_mempool_alloc(mempool, sizeof(*v.u.r)*count));
255             break;
256
257         case GROUP_VALUE:
258             _gmx_sel_mempool_alloc_group(mempool, v.u.g, count);
259             break;
260
261         default:
262             GMX_THROW(gmx::InternalError("Memory pooling not implemented for requested type"));
263     }
264 }
265
266 void SelectionTreeElement::mempoolRelease()
267 {
268     if (!mempool)
269     {
270         return;
271     }
272     switch (v.type)
273     {
274         case INT_VALUE:
275         case REAL_VALUE:
276             _gmx_sel_mempool_free(mempool, v.u.ptr);
277             _gmx_selvalue_setstore(&v, NULL);
278             break;
279
280         case GROUP_VALUE:
281             if (v.u.g)
282             {
283                 _gmx_sel_mempool_free_group(mempool, v.u.g);
284             }
285             break;
286
287         default:
288             GMX_THROW(gmx::InternalError("Memory pooling not implemented for requested type"));
289     }
290 }
291
292 void SelectionTreeElement::fillNameIfMissing(const char *selectionText)
293 {
294     GMX_RELEASE_ASSERT(type == SEL_ROOT,
295                        "Should not be called for non-root elements");
296     if (name().empty())
297     {
298         // Check whether the actual selection given was from an external group,
299         // and if so, use the name of the external group.
300         SelectionTreeElementPointer child = this->child;
301         while (child->type == SEL_MODIFIER)
302         {
303             if (!child->child || child->child->type != SEL_SUBEXPRREF
304                 || !child->child->child)
305             {
306                 break;
307             }
308             child = child->child->child;
309         }
310         if (child->type == SEL_EXPRESSION
311             && child->child && child->child->type == SEL_SUBEXPRREF
312             && child->child->child)
313         {
314             if (child->child->child->type == SEL_CONST
315                 && child->child->child->v.type == GROUP_VALUE)
316             {
317                 setName(child->child->child->name());
318                 return;
319             }
320             // If the group reference is still unresolved, leave the name empty
321             // and fill it later.
322             if (child->child->child->type == SEL_GROUPREF)
323             {
324                 return;
325             }
326         }
327         // If there still is no name, use the selection string.
328         setName(selectionText);
329     }
330 }
331
332 void SelectionTreeElement::checkUnsortedAtoms(
333         bool bUnsortedAllowed, ExceptionInitializer *errors) const
334 {
335     const bool bUnsortedSupported
336         = (type == SEL_CONST && v.type == GROUP_VALUE)
337             || type == SEL_ROOT || type == SEL_SUBEXPR || type == SEL_SUBEXPRREF
338             // TODO: Consolidate.
339             || type == SEL_MODIFIER
340             || (type == SEL_EXPRESSION && (u.expr.method->flags & SMETH_ALLOW_UNSORTED));
341
342     // TODO: For some complicated selections, this may result in the same
343     // index group reference being flagged as an error multiple times for the
344     // same selection.
345     SelectionTreeElementPointer child = this->child;
346     while (child)
347     {
348         child->checkUnsortedAtoms(bUnsortedAllowed && bUnsortedSupported,
349                                   errors);
350         child = child->next;
351     }
352
353     // The logic here is simplified by the fact that only constant groups can
354     // currently be the root cause of SEL_UNSORTED being set, so only those
355     // need to be considered in triggering the error.
356     if (!bUnsortedAllowed && (flags & SEL_UNSORTED)
357         && type == SEL_CONST && v.type == GROUP_VALUE)
358     {
359         std::string message = formatString(
360                     "Group '%s' cannot be used in selections except "
361                     "as a full value of the selection, "
362                     "because atom indices in it are not sorted and/or "
363                     "it contains duplicate atoms.",
364                     name().c_str());
365         errors->addNested(InconsistentInputError(message));
366     }
367 }
368
369 void SelectionTreeElement::resolveIndexGroupReference(gmx_ana_indexgrps_t *grps)
370 {
371     GMX_RELEASE_ASSERT(type == SEL_GROUPREF,
372                        "Should only be called for index group reference elements");
373     if (grps == NULL)
374     {
375         std::string message = formatString(
376                     "Cannot match '%s', because index groups are not available.",
377                     name().c_str());
378         GMX_THROW(InconsistentInputError(message));
379     }
380
381     gmx_ana_index_t foundGroup;
382     std::string     foundName;
383     if (u.gref.name != NULL)
384     {
385         if (!gmx_ana_indexgrps_find(&foundGroup, &foundName, grps, u.gref.name))
386         {
387             std::string message = formatString(
388                         "Cannot match '%s', because no such index group can be found.",
389                         name().c_str());
390             GMX_THROW(InconsistentInputError(message));
391         }
392     }
393     else
394     {
395         if (!gmx_ana_indexgrps_extract(&foundGroup, &foundName, grps, u.gref.id))
396         {
397             std::string message = formatString(
398                         "Cannot match '%s', because no such index group can be found.",
399                         name().c_str());
400             GMX_THROW(InconsistentInputError(message));
401         }
402     }
403
404     if (!gmx_ana_index_check_sorted(&foundGroup))
405     {
406         flags |= SEL_UNSORTED;
407     }
408
409     sfree(u.gref.name);
410     type = SEL_CONST;
411     gmx_ana_index_set(&u.cgrp, foundGroup.isize, foundGroup.index,
412                       foundGroup.nalloc_index);
413     setName(foundName);
414 }
415
416 } // namespace gmx
417
418 /*!
419  * \param[in,out] sel   Selection element to set the type for.
420  * \param[in]     vtype Value type for the selection element.
421  *
422  * If the new type is \ref GROUP_VALUE or \ref POS_VALUE, the
423  * \ref SEL_ALLOCDATA flag is also set.
424  *
425  * This function should only be called at most once for each element,
426  * preferably right after calling _gmx_selelem_create().
427  */
428 void
429 _gmx_selelem_set_vtype(const gmx::SelectionTreeElementPointer &sel,
430                        e_selvalue_t                            vtype)
431 {
432     GMX_RELEASE_ASSERT(sel->type != SEL_BOOLEAN || vtype == GROUP_VALUE,
433                        "Boolean elements must have a group value");
434     GMX_RELEASE_ASSERT(sel->v.type == NO_VALUE || vtype == sel->v.type,
435                        "_gmx_selelem_set_vtype() called more than once");
436     sel->v.type = vtype;
437     if (vtype == GROUP_VALUE || vtype == POS_VALUE)
438     {
439         sel->flags |= SEL_ALLOCDATA;
440     }
441 }
442
443 /*!
444  * \param[in] method Method to free.
445  * \param[in] mdata  Method data to free.
446  */
447 void
448 _gmx_selelem_free_method(gmx_ana_selmethod_t *method, void *mdata)
449 {
450     sel_freefunc free_func = NULL;
451
452     /* Save the pointer to the free function. */
453     if (method && method->free)
454     {
455         free_func = method->free;
456     }
457
458     /* Free the method itself.
459      * Has to be done before freeing the method data, because parameter
460      * values are typically stored in the method data, and here we may
461      * access them. */
462     if (method)
463     {
464         int  i, j;
465
466         /* Free the memory allocated for the parameters that are not managed
467          * by the selection method itself. */
468         for (i = 0; i < method->nparams; ++i)
469         {
470             gmx_ana_selparam_t *param = &method->param[i];
471
472             if (param->val.u.ptr)
473             {
474                 if (param->val.type == GROUP_VALUE)
475                 {
476                     for (j = 0; j < param->val.nr; ++j)
477                     {
478                         gmx_ana_index_deinit(&param->val.u.g[j]);
479                     }
480                 }
481                 else if (param->val.type == POS_VALUE)
482                 {
483                     if (param->val.nalloc > 0)
484                     {
485                         delete[] param->val.u.p;
486                         _gmx_selvalue_setstore(&param->val, NULL);
487                     }
488                 }
489
490                 if (param->val.nalloc > 0)
491                 {
492                     sfree(param->val.u.ptr);
493                 }
494             }
495         }
496         sfree(method->param);
497         sfree(method);
498     }
499     /* Free method data. */
500     if (mdata)
501     {
502         if (free_func)
503         {
504             free_func(mdata);
505         }
506         else
507         {
508             sfree(mdata);
509         }
510     }
511 }
512
513 /*!
514  * \param[in] fp      File handle to receive the output.
515  * \param[in] sel     Root of the selection subtree to print.
516  * \param[in] bValues If true, the evaluated values of selection elements
517  *   are printed as well.
518  * \param[in] level   Indentation level, starting from zero.
519  */
520 void
521 _gmx_selelem_print_tree(FILE *fp, const gmx::SelectionTreeElement &sel,
522                         bool bValues, int level)
523 {
524     int          i;
525
526     fprintf(fp, "%*c %s %s", level*2+1, '*',
527             _gmx_selelem_type_str(sel), _gmx_sel_value_type_str(&sel.v));
528     if (!sel.name().empty())
529     {
530         fprintf(fp, " \"%s\"", sel.name().c_str());
531     }
532     fprintf(fp, " flg=");
533     if (sel.flags & SEL_FLAGSSET)
534     {
535         fprintf(fp, "s");
536     }
537     if (sel.flags & SEL_SINGLEVAL)
538     {
539         fprintf(fp, "S");
540     }
541     if (sel.flags & SEL_ATOMVAL)
542     {
543         fprintf(fp, "A");
544     }
545     if (sel.flags & SEL_VARNUMVAL)
546     {
547         fprintf(fp, "V");
548     }
549     if (sel.flags & SEL_DYNAMIC)
550     {
551         fprintf(fp, "D");
552     }
553     if (!(sel.flags & SEL_VALFLAGMASK))
554     {
555         fprintf(fp, "0");
556     }
557     if (sel.flags & SEL_ALLOCVAL)
558     {
559         fprintf(fp, "Av");
560     }
561     if (sel.flags & SEL_ALLOCDATA)
562     {
563         fprintf(fp, "Ad");
564     }
565     if (sel.mempool)
566     {
567         fprintf(fp, "P");
568     }
569     if (sel.type == SEL_CONST)
570     {
571         if (sel.v.type == INT_VALUE)
572         {
573             fprintf(fp, " %d", sel.v.u.i[0]);
574         }
575         else if (sel.v.type == REAL_VALUE)
576         {
577             fprintf(fp, " %f", sel.v.u.r[0]);
578         }
579         else if (sel.v.type == GROUP_VALUE)
580         {
581             const gmx_ana_index_t *g = sel.v.u.g;
582             if (!g || g->isize == 0)
583             {
584                 g = &sel.u.cgrp;
585             }
586             fprintf(fp, " (%d atoms)", g->isize);
587         }
588     }
589     else if (sel.type == SEL_BOOLEAN)
590     {
591         fprintf(fp, " %s", _gmx_selelem_boolean_type_str(sel));
592     }
593     else if (sel.type == SEL_EXPRESSION
594              && sel.u.expr.method->name == sm_compare.name)
595     {
596         _gmx_selelem_print_compare_info(fp, sel.u.expr.mdata);
597     }
598     if (sel.evaluate)
599     {
600         fprintf(fp, " eval=");
601         _gmx_sel_print_evalfunc_name(fp, sel.evaluate);
602     }
603     if (!(sel.flags & SEL_ALLOCVAL))
604     {
605         fprintf(fp, " (ext)");
606     }
607     fprintf(fp, "\n");
608
609     if ((sel.type == SEL_CONST && sel.v.type == GROUP_VALUE) || sel.type == SEL_ROOT)
610     {
611         const gmx_ana_index_t *g = sel.v.u.g;
612         if (!g || g->isize == 0 || sel.evaluate != NULL)
613         {
614             g = &sel.u.cgrp;
615         }
616         if (g->isize < 0)
617         {
618             fprintf(fp, "%*c group: (null)\n", level*2+1, ' ');
619         }
620         else if (g->isize > 0)
621         {
622             fprintf(fp, "%*c group:", level*2+1, ' ');
623             if (g->isize <= 20)
624             {
625                 for (i = 0; i < g->isize; ++i)
626                 {
627                     fprintf(fp, " %d", g->index[i] + 1);
628                 }
629             }
630             else
631             {
632                 fprintf(fp, " %d atoms", g->isize);
633             }
634             fprintf(fp, "\n");
635         }
636     }
637     else if (sel.type == SEL_EXPRESSION)
638     {
639         if (sel.u.expr.pc)
640         {
641             fprintf(fp, "%*c COM", level*2+3, '*');
642             fprintf(fp, "\n");
643         }
644     }
645
646     if (sel.cdata)
647     {
648         _gmx_selelem_print_compiler_info(fp, sel, level);
649     }
650
651     if (bValues && sel.type != SEL_CONST && sel.type != SEL_ROOT && sel.v.u.ptr)
652     {
653         fprintf(fp, "%*c value: ", level*2+1, ' ');
654         switch (sel.v.type)
655         {
656             case POS_VALUE:
657                 /* In normal use, the pointer should never be NULL, but it's
658                  * useful to have the check for debugging to avoid accidental
659                  * segfaults when printing the selection tree. */
660                 if (sel.v.u.p->x)
661                 {
662                     fprintf(fp, "(%f, %f, %f)",
663                             sel.v.u.p->x[0][XX], sel.v.u.p->x[0][YY],
664                             sel.v.u.p->x[0][ZZ]);
665                 }
666                 else
667                 {
668                     fprintf(fp, "(null)");
669                 }
670                 break;
671             case GROUP_VALUE:
672                 fprintf(fp, "%d atoms", sel.v.u.g->isize);
673                 if (sel.v.u.g->isize < 20)
674                 {
675                     if (sel.v.u.g->isize > 0)
676                     {
677                         fprintf(fp, ":");
678                     }
679                     for (i = 0; i < sel.v.u.g->isize; ++i)
680                     {
681                         fprintf(fp, " %d", sel.v.u.g->index[i] + 1);
682                     }
683                 }
684                 break;
685             default:
686                 fprintf(fp, "???");
687                 break;
688         }
689         fprintf(fp, "\n");
690     }
691
692     /* Print the subexpressions with one more level of indentation */
693     gmx::SelectionTreeElementPointer child = sel.child;
694     while (child)
695     {
696         if (!(sel.type == SEL_SUBEXPRREF && child->type == SEL_SUBEXPR))
697         {
698             _gmx_selelem_print_tree(fp, *child, bValues, level+1);
699         }
700         child = child->next;
701     }
702 }
703
704 /*!
705  * \param[in] root Root of the subtree to query.
706  * \returns true if \p root or any any of its elements require topology
707  *   information, false otherwise.
708  */
709 bool
710 _gmx_selelem_requires_top(const gmx::SelectionTreeElement &root)
711 {
712     if (root.type == SEL_EXPRESSION || root.type == SEL_MODIFIER)
713     {
714         if (root.u.expr.method && (root.u.expr.method->flags & SMETH_REQTOP))
715         {
716             return true;
717         }
718         if (root.u.expr.pc && gmx_ana_poscalc_requires_top(root.u.expr.pc))
719         {
720             return true;
721         }
722     }
723     gmx::SelectionTreeElementPointer child = root.child;
724     while (child)
725     {
726         if (_gmx_selelem_requires_top(*child))
727         {
728             return true;
729         }
730         child = child->next;
731     }
732     return false;
733 }