src/gromacs/topology/topology.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2011,2014,2015,2016,2018,2019, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #ifndef GMX_TOPOLOGY_TOPOLOGY_H
  38 #define GMX_TOPOLOGY_TOPOLOGY_H
  39
  40 #include <cstdio>
  41
  42 #include <vector>
  43
  44 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  45 #include "gromacs/topology/atoms.h"
  46 #include "gromacs/topology/block.h"
  47 #include "gromacs/topology/forcefieldparameters.h"
  48 #include "gromacs/topology/idef.h"
  49 #include "gromacs/topology/symtab.h"
  50 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
  51 #include "gromacs/utility/unique_cptr.h"
  52
  53 enum class SimulationAtomGroupType : int
  54 {
  55     TemperatureCoupling,
  56     EnergyOutput,
  57     Acceleration,
  58     Freeze,
  59     User1,
  60     User2,
  61     MassCenterVelocityRemoval,
  62     CompressedPositionOutput,
  63     OrientationRestraintsFit,
  64     QuantumMechanics,
  65     Count
  66 };
  67
  68 //! Short strings used for describing atom groups in log and energy files
  69 const char *shortName(SimulationAtomGroupType type);
  70
  71 //const char *shortName(int type); // if necessary
  72
  73 /*! \brief Molecules type data: atoms, interactions and exclusions */
  74 struct gmx_moltype_t
  75 {
  76     gmx_moltype_t();
  77
  78     ~gmx_moltype_t();
  79
  80     /*! \brief Deleted copy assignment operator to avoid (not) freeing pointers */
  81     gmx_moltype_t &operator=(const gmx_moltype_t &) = delete;
  82
  83     /*! \brief Default copy constructor */
  84     gmx_moltype_t(const gmx_moltype_t &) = default;
  85
  86     char              **name;   /**< Name of the molecule type            */
  87     t_atoms             atoms;  /**< The atoms in this molecule           */
  88     InteractionLists    ilist;  /**< Interaction list with local indices  */
  89     t_block             cgs;    /**< The charge groups                    */
  90     t_blocka            excls;  /**< The exclusions                       */
  91 };
  92
  93 /*! \brief Block of molecules of the same type, used in gmx_mtop_t */
  94 struct gmx_molblock_t
  95 {
  96     int                    type = -1; /**< The molecule type index in mtop.moltype  */
  97     int                    nmol = 0;  /**< The number of molecules in this block    */
  98     std::vector<gmx::RVec> posres_xA; /**< Position restraint coordinates for top A */
  99     std::vector<gmx::RVec> posres_xB; /**< Position restraint coordinates for top B */
 100 };
 101
 102 /*! \brief Indices for a gmx_molblock_t, derived from other gmx_mtop_t contents */
 103 struct MoleculeBlockIndices
 104 {
 105     int     numAtomsPerMolecule; /**< Number of atoms in a molecule in the block */
 106     int     globalAtomStart;     /**< Global atom index of the first atom in the block */
 107     int     globalAtomEnd;       /**< Global atom index + 1 of the last atom in the block */
 108     int     globalResidueStart;  /**< Global residue index of the first residue in the block */
 109     int     residueNumberStart;  /**< Residue numbers start from this value if the number of residues per molecule is <= maxres_renum */
 110     int     moleculeIndexStart;  /**< Global molecule indexing starts from this value */
 111 };
 112
 113 /*! \brief Contains the simulation atom groups.
 114  *
 115  * Organized as containers for the different
 116  * SimulationAtomGroupTypes
 117  */
 118 struct SimulationGroups
 119 {
 120     SimulationGroups();
 121
 122     ~SimulationGroups();
 123
 124     //! Groups of particles
 125     gmx::EnumerationArray<SimulationAtomGroupType, t_grps>                     groups;
 126     //! Names of groups, stored as pointer to the entries in the symbol table.
 127     std::vector<char **>                                                       groupNames;
 128     //! Group numbers for the different SimulationAtomGroupType groups.
 129     gmx::EnumerationArray < SimulationAtomGroupType, std::vector < unsigned char>> groupNumbers;
 130
 131     /*! \brief
 132      * Number of group numbers for a single SimulationGroup.
 133      *
 134      * \param[in] group Integer value for the group type.
 135      */
 136     int numberOfGroupNumbers(SimulationAtomGroupType group) const { return groupNumbers[group].size(); }
 137 };
 138
 139 /*! \brief
 140  * Returns group number of an input group for a given atom.
 141  *
 142  * Returns the group \p type for \p atom in \p group, or 0 if the
 143  * entries for all atoms in the group are 0 and the pointer is thus null.
 144  *
 145  * \param[in] group Group to check.
 146  * \param[in] type  Type of group to check.
 147  * \param[in] atom  Atom to check if it has an entry.
 148  */
 149 int getGroupType (const SimulationGroups &group, SimulationAtomGroupType type, int atom);
 150
 151 /* The global, complete system topology struct, based on molecule types.
 152  * This structure should contain no data that is O(natoms) in memory.
 153  *
 154  * TODO: Find a solution for ensuring that the derived data is in sync
 155  *       with the primary data, possibly by converting to a class.
 156  */
 157 struct gmx_mtop_t //NOLINT(clang-analyzer-optin.performance.Padding)
 158 {
 159     gmx_mtop_t();
 160
 161     ~gmx_mtop_t();
 162
 163     //! Name of the topology.
 164     char                            **name = nullptr;
 165     //! Force field parameters used.
 166     gmx_ffparams_t                    ffparams;
 167     //! Vector of different molecule types.
 168     std::vector<gmx_moltype_t>        moltype;
 169     //! Vector of different molecule blocks.
 170     std::vector<gmx_molblock_t>       molblock;
 171     //! Are there intermolecular interactions?
 172     bool                              bIntermolecularInteractions = false;
 173     /* \brief
 174      * List of intermolecular interactions using system wide
 175      * atom indices, either NULL or size F_NRE
 176      */
 177     std::unique_ptr<InteractionLists>        intermolecular_ilist = nullptr;
 178     //! Number of global atoms.
 179     int                                      natoms = 0;
 180     //! Parameter for residue numbering.
 181     int                                      maxres_renum = 0;
 182     //! The maximum residue number in moltype
 183     int                                      maxresnr = -1;
 184     //! Atomtype properties
 185     t_atomtypes                              atomtypes;
 186     //! Groups of atoms for different purposes
 187     SimulationGroups                         groups;
 188     //! The symbol table
 189     t_symtab                                 symtab;
 190     //! Tells whether we have valid molecule indices
 191     bool                                     haveMoleculeIndices = false;
 192     /*! \brief List of global atom indices of atoms between which
 193      * non-bonded interactions must be excluded.
 194      */
 195     std::vector<int>                  intermolecularExclusionGroup;
 196
 197     /* Derived data  below */
 198     //! Indices for each molblock entry for fast lookup of atom properties
 199     std::vector<MoleculeBlockIndices> moleculeBlockIndices;
 200 };
 201
 202 /*! \brief
 203  * The fully written out topology for a domain over its lifetime
 204  *
 205  * Also used in some analysis code.
 206  */
 207 struct gmx_localtop_t
 208 {
 209     //! Constructor used for normal operation, manages own resources.
 210     gmx_localtop_t();
 211
 212     ~gmx_localtop_t();
 213
 214     //! The interaction function definition
 215     t_idef        idef;
 216     //! Atomtype properties
 217     t_atomtypes   atomtypes;
 218     //! The exclusions
 219     t_blocka      excls;
 220     //! Flag for domain decomposition so we don't free already freed memory.
 221     bool          useInDomainDecomp_ = false;
 222 };
 223
 224 /* The old topology struct, completely written out, used in analysis tools */
 225 typedef struct t_topology
 226 {
 227     char          **name;                        /* Name of the topology                 */
 228     t_idef          idef;                        /* The interaction function definition  */
 229     t_atoms         atoms;                       /* The atoms                            */
 230     t_atomtypes     atomtypes;                   /* Atomtype properties                  */
 231     t_block         cgs;                         /* The charge groups                    */
 232     t_block         mols;                        /* The molecules                        */
 233     gmx_bool        bIntermolecularInteractions; /* Inter.mol. int. ?   */
 234     t_blocka        excls;                       /* The exclusions                       */
 235     t_symtab        symtab;                      /* The symbol table                     */
 236 } t_topology;
 237
 238 void init_top(t_topology *top);
 239 void done_top(t_topology *top);
 240 // Frees both t_topology and gmx_mtop_t when the former has been created from
 241 // the latter.
 242 void done_top_mtop(t_topology *top, gmx_mtop_t *mtop);
 243
 244 bool gmx_mtop_has_masses(const gmx_mtop_t *mtop);
 245 bool gmx_mtop_has_charges(const gmx_mtop_t *mtop);
 246 bool gmx_mtop_has_perturbed_charges(const gmx_mtop_t &mtop);
 247 bool gmx_mtop_has_atomtypes(const gmx_mtop_t *mtop);
 248 bool gmx_mtop_has_pdbinfo(const gmx_mtop_t *mtop);
 249
 250 void pr_mtop(FILE *fp, int indent, const char *title, const gmx_mtop_t *mtop,
 251              gmx_bool bShowNumbers, gmx_bool bShowParameters);
 252 void pr_top(FILE *fp, int indent, const char *title, const t_topology *top,
 253             gmx_bool bShowNumbers, gmx_bool bShowParameters);
 254
 255 /*! \brief Compare two mtop topologies.
 256  *
 257  * \param[in] fp File pointer to write to.
 258  * \param[in] mtop1 First topology to compare.
 259  * \param[in] mtop2 Second topology to compare.
 260  * \param[in] relativeTolerance Relative tolerance for comparison.
 261  * \param[in] absoluteTolerance Absolute tolerance for comparison.
 262  */
 263 void compareMtop(FILE *fp, const gmx_mtop_t &mtop1, const gmx_mtop_t &mtop2, real relativeTolerance, real absoluteTolerance);
 264
 265 /*! \brief Check perturbation parameters in topology.
 266  *
 267  * \param[in] fp File pointer to write to.
 268  * \param[in] mtop1 Topology to check perturbation parameters in.
 269  * \param[in] relativeTolerance Relative tolerance for comparison.
 270  * \param[in] absoluteTolerance Absolute tolerance for comparison.
 271  */
 272 void compareMtopAB(FILE *fp, const gmx_mtop_t &mtop1, real relativeTolerance, real absoluteTolerance);
 273
 274 /*! \brief Compare groups.
 275  *
 276  * \param[in] fp File pointer to write to.
 277  * \param[in] g0 First group for comparison.
 278  * \param[in] g1 Second group for comparison.
 279  * \param[in] natoms0 Number of atoms for first group.
 280  * \param[in] natoms1 Number of atoms for second group.
 281  */
 282 void compareAtomGroups(FILE *fp, const SimulationGroups &g0, const SimulationGroups &g1,
 283                        int natoms0, int natoms1);
 284
 285 //! Typedef for gmx_localtop in analysis tools.
 286 using ExpandedTopologyPtr = std::unique_ptr<gmx_localtop_t>;
 287
 288 void copy_moltype(const gmx_moltype_t *src, gmx_moltype_t *dst);
 289
 290 #endif