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 by the GROMACS development team.
   7  * Copyright (c) 2019,2020, by the GROMACS development team, led by
   8  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   9  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
  10  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  11  *
  12  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  13  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  14  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  15  * of the License, or (at your option) any later version.
  16  *
  17  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  20  * Lesser General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  23  * License along with GROMACS; if not, see
  24  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  25  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  26  *
  27  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  28  * consider that scientific software is very special. Version
  29  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  30  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  31  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  32  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  33  * official version at http://www.gromacs.org.
  34  *
  35  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  36  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  37  */
  38 #ifndef GMX_TOPOLOGY_TOPOLOGY_H
  39 #define GMX_TOPOLOGY_TOPOLOGY_H
  40
  41 #include <cstdio>
  42
  43 #include <vector>
  44
  45 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  46 #include "gromacs/topology/atoms.h"
  47 #include "gromacs/topology/block.h"
  48 #include "gromacs/topology/forcefieldparameters.h"
  49 #include "gromacs/topology/idef.h"
  50 #include "gromacs/topology/symtab.h"
  51 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
  52 #include "gromacs/utility/listoflists.h"
  53 #include "gromacs/utility/unique_cptr.h"
  54
  55 enum class SimulationAtomGroupType : int
  56 {
  57     TemperatureCoupling,
  58     EnergyOutput,
  59     Acceleration,
  60     Freeze,
  61     User1,
  62     User2,
  63     MassCenterVelocityRemoval,
  64     CompressedPositionOutput,
  65     OrientationRestraintsFit,
  66     QuantumMechanics,
  67     Count
  68 };
  69
  70 //! Short strings used for describing atom groups in log and energy files
  71 const char* shortName(SimulationAtomGroupType type);
  72
  73 // const char *shortName(int type); // if necessary
  74
  75 /*! \brief Molecules type data: atoms, interactions and exclusions */
  76 struct gmx_moltype_t
  77 {
  78     gmx_moltype_t();
  79
  80     ~gmx_moltype_t();
  81
  82     /*! \brief Deleted copy assignment operator to avoid (not) freeing pointers */
  83     gmx_moltype_t& operator=(const gmx_moltype_t&) = delete;
  84
  85     /*! \brief Default copy constructor */
  86     gmx_moltype_t(const gmx_moltype_t&) = default;
  87
  88     char**                name;  /**< Name of the molecule type            */
  89     t_atoms               atoms; /**< The atoms in this molecule           */
  90     InteractionLists      ilist; /**< Interaction list with local indices  */
  91     gmx::ListOfLists<int> excls; /**< The exclusions                       */
  92 };
  93
  94 /*! \brief Block of molecules of the same type, used in gmx_mtop_t */
  95 struct gmx_molblock_t
  96 {
  97     int                    type = -1; /**< The molecule type index in mtop.moltype  */
  98     int                    nmol = 0;  /**< The number of molecules in this block    */
  99     std::vector<gmx::RVec> posres_xA; /**< Position restraint coordinates for top A */
 100     std::vector<gmx::RVec> posres_xB; /**< Position restraint coordinates for top B */
 101 };
 102
 103 /*! \brief Indices for a gmx_molblock_t, derived from other gmx_mtop_t contents */
 104 struct MoleculeBlockIndices
 105 {
 106     int numAtomsPerMolecule; /**< Number of atoms in a molecule in the block */
 107     int globalAtomStart;     /**< Global atom index of the first atom in the block */
 108     int globalAtomEnd;       /**< Global atom index + 1 of the last atom in the block */
 109     int globalResidueStart;  /**< Global residue index of the first residue in the block */
 110     int residueNumberStart; /**< Residue numbers start from this value if the number of residues per molecule is <= maxres_renum */
 111     int moleculeIndexStart; /**< Global molecule indexing starts from this value */
 112 };
 113
 114 /*! \brief Contains the simulation atom groups.
 115  *
 116  * Organized as containers for the different
 117  * SimulationAtomGroupTypes
 118  */
 119 struct SimulationGroups
 120 {
 121     //! Groups of particles
 122     gmx::EnumerationArray<SimulationAtomGroupType, AtomGroupIndices> groups;
 123     //! Names of groups, stored as pointer to the entries in the symbol table.
 124     std::vector<char**> groupNames;
 125     //! Group numbers for the different SimulationAtomGroupType groups.
 126     gmx::EnumerationArray<SimulationAtomGroupType, std::vector<unsigned char>> groupNumbers;
 127
 128     /*! \brief
 129      * Number of group numbers for a single SimulationGroup.
 130      *
 131      * \param[in] group Integer value for the group type.
 132      */
 133     int numberOfGroupNumbers(SimulationAtomGroupType group) const
 134     {
 135         return static_cast<int>(groupNumbers[group].size());
 136     }
 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     //! Atomtype properties
 181     t_atomtypes atomtypes;
 182     //! Groups of atoms for different purposes
 183     SimulationGroups groups;
 184     //! The legacy symbol table
 185     t_symtab symtab;
 186     //! Tells whether we have valid molecule indices
 187     bool haveMoleculeIndices = false;
 188     /*! \brief List of global atom indices of atoms between which
 189      * non-bonded interactions must be excluded.
 190      */
 191     std::vector<int> intermolecularExclusionGroup;
 192
 193     //! Maximum number of residues in molecule to trigger renumbering of residues
 194     int maxResiduesPerMoleculeToTriggerRenumber() const
 195     {
 196         return maxResiduesPerMoleculeToTriggerRenumber_;
 197     }
 198     //! Maximum residue number that is not renumbered.
 199     int maxResNumberNotRenumbered() const { return maxResNumberNotRenumbered_; }
 200     /*! \brief Finalize this data structure.
 201      *
 202      * Should be called after generating or reading mtop, to set some compute
 203      * intesive variables to avoid N^2 operations later on.
 204      *
 205      * \todo Move into a builder class, once available.
 206      */
 207     void finalize();
 208
 209     /* Derived data below */
 210     //! Indices for each molblock entry for fast lookup of atom properties
 211     std::vector<MoleculeBlockIndices> moleculeBlockIndices;
 212
 213 private:
 214     //! Build the molblock indices
 215     void buildMolblockIndices();
 216     //! Maximum number of residues in molecule to trigger renumbering of residues
 217     int maxResiduesPerMoleculeToTriggerRenumber_ = 0;
 218     //! The maximum residue number in moltype that is not renumbered
 219     int maxResNumberNotRenumbered_ = -1;
 220 };
 221
 222 /*! \brief
 223  * The fully written out topology for a domain over its lifetime
 224  *
 225  * Also used in some analysis code.
 226  */
 227 struct gmx_localtop_t
 228 {
 229     //! Constructor used for normal operation, manages own resources.
 230     gmx_localtop_t(const gmx_ffparams_t& ffparams);
 231
 232     //! The interaction function definition
 233     InteractionDefinitions idef;
 234     //! The exclusions
 235     gmx::ListOfLists<int> excls;
 236 };
 237
 238 /* The old topology struct, completely written out, used in analysis tools */
 239 typedef struct t_topology
 240 {
 241     char**      name;                        /* Name of the topology                 */
 242     t_idef      idef;                        /* The interaction function definition  */
 243     t_atoms     atoms;                       /* The atoms                            */
 244     t_atomtypes atomtypes;                   /* Atomtype properties                  */
 245     t_block     mols;                        /* The molecules                        */
 246     gmx_bool    bIntermolecularInteractions; /* Inter.mol. int. ?   */
 247     /* Note that the exclusions are not stored in t_topology */
 248     t_symtab symtab; /* The symbol table                     */
 249 } t_topology;
 250
 251 void init_top(t_topology* top);
 252 void done_top(t_topology* top);
 253 // Frees both t_topology and gmx_mtop_t when the former has been created from
 254 // the latter.
 255 void done_top_mtop(t_topology* top, gmx_mtop_t* mtop);
 256
 257 bool gmx_mtop_has_masses(const gmx_mtop_t* mtop);
 258 bool gmx_mtop_has_charges(const gmx_mtop_t* mtop);
 259 bool gmx_mtop_has_perturbed_charges(const gmx_mtop_t& mtop);
 260 bool gmx_mtop_has_atomtypes(const gmx_mtop_t* mtop);
 261 bool gmx_mtop_has_pdbinfo(const gmx_mtop_t* mtop);
 262
 263 void pr_mtop(FILE* fp, int indent, const char* title, const gmx_mtop_t* mtop, gmx_bool bShowNumbers, gmx_bool bShowParameters);
 264 void pr_top(FILE* fp, int indent, const char* title, const t_topology* top, gmx_bool bShowNumbers, gmx_bool bShowParameters);
 265
 266 /*! \brief Compare two mtop topologies.
 267  *
 268  * \param[in] fp File pointer to write to.
 269  * \param[in] mtop1 First topology to compare.
 270  * \param[in] mtop2 Second topology to compare.
 271  * \param[in] relativeTolerance Relative tolerance for comparison.
 272  * \param[in] absoluteTolerance Absolute tolerance for comparison.
 273  */
 274 void compareMtop(FILE* fp, const gmx_mtop_t& mtop1, const gmx_mtop_t& mtop2, real relativeTolerance, real absoluteTolerance);
 275
 276 /*! \brief Check perturbation parameters in topology.
 277  *
 278  * \param[in] fp File pointer to write to.
 279  * \param[in] mtop1 Topology to check perturbation parameters in.
 280  * \param[in] relativeTolerance Relative tolerance for comparison.
 281  * \param[in] absoluteTolerance Absolute tolerance for comparison.
 282  */
 283 void compareMtopAB(FILE* fp, const gmx_mtop_t& mtop1, real relativeTolerance, real absoluteTolerance);
 284
 285 /*! \brief Compare groups.
 286  *
 287  * \param[in] fp File pointer to write to.
 288  * \param[in] g0 First group for comparison.
 289  * \param[in] g1 Second group for comparison.
 290  * \param[in] natoms0 Number of atoms for first group.
 291  * \param[in] natoms1 Number of atoms for second group.
 292  */
 293 void compareAtomGroups(FILE* fp, const SimulationGroups& g0, const SimulationGroups& g1, int natoms0, int natoms1);
 294
 295 //! Typedef for gmx_localtop in analysis tools.
 296 using ExpandedTopologyPtr = std::unique_ptr<gmx_localtop_t>;
 297
 298 void copy_moltype(const gmx_moltype_t* src, gmx_moltype_t* dst);
 299
 300 #endif