src/gromacs/trajectoryanalysis/analysismodule.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::TrajectoryAnalysisModule and
  38  * gmx::TrajectoryAnalysisModuleData.
  39  *
  40  * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@gmail.com>
  41  * \inpublicapi
  42  * \ingroup module_trajectoryanalysis
  43  */
  44 #ifndef GMX_TRAJECTORYANALYSIS_ANALYSISMODULE_H
  45 #define GMX_TRAJECTORYANALYSIS_ANALYSISMODULE_H
  46
  47 #include <string>
  48 #include <vector>
  49
  50 #include <boost/shared_ptr.hpp>
  51
  52 #include "gromacs/selection/selection.h" // For gmx::SelectionList
  53 #include "gromacs/utility/classhelpers.h"
  54
  55 struct t_pbc;
  56 struct t_trxframe;
  57
  58 namespace gmx
  59 {
  60
  61 class AbstractAnalysisData;
  62 class AnalysisData;
  63 class AnalysisDataHandle;
  64 class AnalysisDataParallelOptions;
  65 class IOptionsContainer;
  66 class Options;
  67 class SelectionCollection;
  68 class TopologyInformation;
  69 class TrajectoryAnalysisModule;
  70 class TrajectoryAnalysisSettings;
  71
  72 /*! \brief
  73  * Base class for thread-local data storage during trajectory analysis.
  74  *
  75  * Thread-local storage of data handles and selections is implemented in this
  76  * class; TrajectoryAnalysisModule instances can access the thread-local values
  77  * in their TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame() method using dataHandle()
  78  * and parallelSelection().
  79  *
  80  * \see TrajectoryAnalysisModule::startFrames()
  81  * \see TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()
  82  * \see TrajectoryAnalysisModule::finishFrames()
  83  *
  84  * \inpublicapi
  85  * \ingroup module_trajectoryanalysis
  86  */
  87 class TrajectoryAnalysisModuleData
  88 {
  89     public:
  90         virtual ~TrajectoryAnalysisModuleData();
  91
  92         /*! \brief
  93          * Performs any finishing actions after all frames have been processed.
  94          *
  95          * \throws  unspecified Implementation may throw exceptions to indicate
  96          *      errors.
  97          *
  98          * This function is called immediately before the destructor, after
  99          * TrajectoryAnalysisModule::finishFrames().
 100          * Derived classes should implement any final operations that need to
 101          * be done after successful analysis.
 102          * All implementations should call finishDataHandles().
 103          */
 104         virtual void finish() = 0;
 105
 106         /*! \brief
 107          * Returns a data handle for a given dataset.
 108          *
 109          * \param[in] data  Analysis data object.
 110          * \returns   Data handle for \p data stored in this thread-local data.
 111          *
 112          * \p data should have previously been registered with
 113          * TrajectoryAnalysisModule::registerAnalysisDataset().
 114          * If \p data has zero columns in all data sets, the returned data
 115          * handle is invalid.
 116          *
 117          * Does not throw.
 118          */
 119         AnalysisDataHandle dataHandle(const AnalysisData &data);
 120         /*! \brief
 121          * Returns a selection that corresponds to the given selection.
 122          *
 123          * \param[in] selection Global selection object.
 124          * \returns   Selection object corresponding to this thread-local data.
 125          *
 126          * \p selection is the selection object that was obtained from
 127          * SelectionOption.  The return value is the corresponding selection
 128          * in the selection collection with which this data object was
 129          * constructed with.
 130          *
 131          * Does not throw.
 132          */
 133         Selection parallelSelection(const Selection &selection);
 134         /*! \brief
 135          * Returns a set of selection that corresponds to the given selections.
 136          *
 137          * \throws std::bad_alloc if out of memory.
 138          *
 139          * Works as parallelSelection(), but for a list of selections at once.
 140          *
 141          * \see parallelSelection()
 142          */
 143         SelectionList parallelSelections(const SelectionList &selections);
 144
 145     protected:
 146         /*! \brief
 147          * Initializes thread-local storage for data handles and selections.
 148          *
 149          * \param[in] module     Analysis module to use for data objects.
 150          * \param[in] opt        Data parallelization options.
 151          * \param[in] selections Thread-local selection collection.
 152          * \throws  std::bad_alloc if out of memory.
 153          * \throws  unspecified Can throw any exception thrown by
 154          *      AnalysisData::startData().
 155          *
 156          * Calls AnalysisData::startData() on all data objects registered with
 157          * TrajectoryAnalysisModule::registerAnalysisDataset() in \p module.
 158          * The handles are accessible through dataHandle().
 159          */
 160         TrajectoryAnalysisModuleData(TrajectoryAnalysisModule          *module,
 161                                      const AnalysisDataParallelOptions &opt,
 162                                      const SelectionCollection         &selections);
 163
 164         /*! \brief
 165          * Calls finishData() on all data handles.
 166          *
 167          * \throws  unspecified Can throw any exception thrown by
 168          *      AnalysisDataHandle::finishData().
 169          *
 170          * This function should be called from the implementation of finish()
 171          * in all subclasses.
 172          */
 173         void finishDataHandles();
 174
 175     private:
 176         class Impl;
 177
 178         PrivateImplPointer<Impl> impl_;
 179 };
 180
 181 //! Smart pointer to manage a TrajectoryAnalysisModuleData object.
 182 typedef boost::shared_ptr<TrajectoryAnalysisModuleData>
 183     TrajectoryAnalysisModuleDataPointer;
 184
 185 /*! \brief
 186  * Base class for trajectory analysis modules.
 187  *
 188  * Trajectory analysis methods should derive from this class and override the
 189  * necessary virtual methods to implement initialization (initOptions(),
 190  * optionsFinished(), initAnalysis(), initAfterFirstFrame()), per-frame analysis
 191  * (analyzeFrame()), and final processing (finishFrames(), finishAnalysis(),
 192  * writeOutput()).
 193  *
 194  * For parallel analysis using threads, only a single object is constructed,
 195  * but the methods startFrames(), analyzeFrame() and finishFrames() are called
 196  * in each thread.  Frame-local data should be initialized in startFrames() and
 197  * stored in a class derived from TrajectoryAnalysisModuleData that is passed
 198  * to the other methods.  The default implementation of startFrames() can be
 199  * used if only data handles and selections need to be thread-local.
 200  *
 201  * To get the full benefit from this class,
 202  * \ref module_analysisdata "analysis data objects" and
 203  * \ref module_selection "selections" should be used in the implementation.
 204  * See the corresponding modules' documentation for details of how they work.
 205  *
 206  * Typical way of using AnalysisData in derived classes is to have the
 207  * AnalysisData object as a member variable and register it using
 208  * registerAnalysisDataset().  Analysis modules are initialized in
 209  * initAnalysis() and the processing chain is initialized.  If any of the
 210  * modules is required, e.g., for post-processing in finishAnalysis(), it can
 211  * be stored in a member variable.  To add data to the data object in
 212  * analyzeFrame(), a data handle is obtained using
 213  * TrajectoryAnalysisModuleData::dataHandle().
 214  *
 215  * Typical way of using selections in derived classes is to have the required
 216  * \ref Selection objects (or ::SelectionList objects) as member variables, and
 217  * add the required selection options in initOptions().  These member variables
 218  * can be accessed in initAnalysis() to get general information about the
 219  * selections.  In analyzeFrame(), these selection objects should not be used
 220  * directly, but instead TrajectoryAnalysisModuleData::parallelSelection()
 221  * should be used to obtain a selection object that works correctly also for
 222  * parallel analysis.
 223  *
 224  * Derived classes should use exceptions to indicate errors in the virtual
 225  * methods.
 226  *
 227  * \inpublicapi
 228  * \ingroup module_trajectoryanalysis
 229  */
 230 class TrajectoryAnalysisModule
 231 {
 232     public:
 233         virtual ~TrajectoryAnalysisModule();
 234
 235         /*! \brief
 236          * Initializes options understood by the module.
 237          *
 238          * \param[in,out] options  Options object to add the options to.
 239          * \param[in,out] settings Settings to pass to and from the module.
 240          *
 241          * This method is called first after the constructor, and it should
 242          * add options understood by the module to \p options.  Output values
 243          * from options (including selections) should be stored in member
 244          * variables.
 245          *
 246          * In addition to initializing the options, this method can also
 247          * provide information about the module's requirements using the
 248          * \p settings object; see TrajectoryAnalysisSettings for more details.
 249          *
 250          * If settings depend on the option values provided by the user, see
 251          * optionsFinished().
 252          */
 253         virtual void initOptions(IOptionsContainer          *options,
 254                                  TrajectoryAnalysisSettings *settings) = 0;
 255         /*! \brief
 256          * Called after all option values have been set.
 257          *
 258          * \param[in,out] settings Settings to pass to and from the module.
 259          *
 260          * This method is called after option values have been assigned (but
 261          * interactive selection input has not yet been performed).
 262          *
 263          * If the module needs to change settings that affect topology loading
 264          * (can be done using the \p settings object) or selection
 265          * initialization (can be done using SelectionOptionInfo) based on
 266          * option values, this method has to be overridden.
 267          *
 268          * The default implementation does nothing.
 269          */
 270         virtual void optionsFinished(TrajectoryAnalysisSettings *settings);
 271         /*! \brief
 272          * Initializes the analysis.
 273          *
 274          * \param[in]    settings Settings to pass to and from the module.
 275          * \param[in]    top      Topology information.
 276          *
 277          * When this function is called, selections have been initialized based
 278          * on user input, and a topology has been loaded if provided by the
 279          * user.  For dynamic selections, the selections have been evaluated to
 280          * the largest possible selection, i.e., the selections passed to
 281          * analyzeFrame() are always a subset of the selections provided here.
 282          */
 283         virtual void initAnalysis(const TrajectoryAnalysisSettings &settings,
 284                                   const TopologyInformation        &top) = 0;
 285         /*! \brief
 286          * Performs additional initialization after reading the first frame.
 287          *
 288          * When this function is called, selections are the same as in
 289          * initAnalysis(), i.e., they have not been evaluated for the first
 290          * frame.
 291          *
 292          * It is necessary to override this method only if the module needs to
 293          * do initialization for which it requires data from the first frame.
 294          *
 295          * The default implementation does nothing.
 296          */
 297         virtual void initAfterFirstFrame(const TrajectoryAnalysisSettings &settings,
 298                                          const t_trxframe                 &fr);
 299
 300         /*! \brief
 301          * Starts the analysis of frames.
 302          *
 303          * \param[in]  opt
 304          * \param[in]  selections  Frame-local selection collection object.
 305          * \returns    Data structure for thread-local data.
 306          *
 307          * This function is necessary only for threaded parallelization.
 308          * It is called once for each thread and should initialize a class that
 309          * contains any required frame-local data in the returned value.
 310          * The default implementation creates a basic data structure that holds
 311          * thread-local data handles for all data objects registered with
 312          * registerAnalysisDataset(), as well as the thread-local selection
 313          * collection.  These can be accessed in analyzeFrame() using the
 314          * methods in TrajectoryAnalysisModuleData.
 315          * If other thread-local data is needed, this function should be
 316          * overridden and it should create an instance of a class derived from
 317          * TrajectoryAnalysisModuleData.
 318          *
 319          * \see TrajectoryAnalysisModuleData
 320          */
 321         virtual TrajectoryAnalysisModuleDataPointer startFrames(
 322             const AnalysisDataParallelOptions &opt,
 323             const SelectionCollection         &selections);
 324         /*! \brief
 325          * Analyzes a single frame.
 326          *
 327          * \param[in]     frnr   Frame number, a zero-based index that
 328          *      uniquely identifies the frame.
 329          * \param[in]     fr     Current frame.
 330          * \param[in]     pbc    Periodic boundary conditions for \p fr.
 331          * \param[in,out] pdata  Data structure for frame-local data.
 332          *
 333          * This method is called once for each frame to be analyzed, and should
 334          * analyze the positions provided in the selections.  Data handles and
 335          * selections should be obtained from the \p pdata structure.
 336          *
 337          * For threaded analysis, this method is called asynchronously in
 338          * different threads to analyze different frames.  The \p pdata
 339          * structure is one of the structures created with startFrames(),
 340          * but no assumptions should be made about which of these data
 341          * structures is used.  It is guaranteed that two instances of
 342          * analyzeFrame() are not running concurrently with the same \p pdata
 343          * data structure.
 344          * Any access to data structures not stored in \p pdata should be
 345          * designed to be thread-safe.
 346          */
 347         virtual void analyzeFrame(int frnr, const t_trxframe &fr, t_pbc *pbc,
 348                                   TrajectoryAnalysisModuleData *pdata) = 0;
 349         /*! \brief
 350          * Finishes the analysis of frames.
 351          *
 352          * \param[in]  pdata    Data structure for thread-local data.
 353          *
 354          * This method is called once for each call of startFrames(), with the
 355          * data structure returned by the corresponding startFrames().
 356          * The \p pdata object should be destroyed by the caller after this
 357          * function has been called.
 358          *
 359          * You only need to override this method if you need custom
 360          * operations to combine data from the frame-local data structures
 361          * to get the final result.  In such cases, the data should be
 362          * aggregated in this function and stored in a member attribute.
 363          *
 364          * The default implementation does nothing.
 365          *
 366          * \see startFrames()
 367          */
 368         virtual void finishFrames(TrajectoryAnalysisModuleData *pdata);
 369
 370         /*! \brief
 371          * Postprocesses data after frames have been read.
 372          *
 373          * \param[in]  nframes  Total number of frames processed.
 374          *
 375          * This function is called after all finishFrames() calls have been
 376          * called.
 377          * \p nframes will equal the number of calls to analyzeFrame() that
 378          * have occurred.
 379          */
 380         virtual void finishAnalysis(int nframes) = 0;
 381         /*! \brief
 382          * Writes output into files and/or standard output/error.
 383          *
 384          * All output from the module, excluding data written out for each
 385          * frame during analyzeFrame(), should be confined into this function.
 386          * This function is guaranteed to be called only after
 387          * finishAnalysis().
 388          */
 389         virtual void writeOutput() = 0;
 390
 391         /*! \brief
 392          * Returns the name of the analysis module.
 393          *
 394          * Does not throw.
 395          */
 396         const char *name() const;
 397         /*! \brief
 398          * Returns short description for the analysis module.
 399          *
 400          * Does not throw.
 401          */
 402         const char *description() const;
 403         /*! \brief
 404          * Returns the number of datasets provided by the module.
 405          *
 406          * Does not throw.
 407          */
 408         int datasetCount() const;
 409         /*! \brief
 410          * Returns a vector with the names of datasets provided by the module.
 411          *
 412          * Does not throw.
 413          */
 414         const std::vector<std::string> &datasetNames() const;
 415         /*! \brief
 416          * Returns a pointer to the data set \p index.
 417          *
 418          * \param[in] index  Data set to query for.
 419          * \returns   Reference to the requested data set.
 420          * \throws    APIError if \p index is not valid.
 421          *
 422          * \p index should be >= 0 and < datasetCount().
 423          *
 424          * The return value is not const to allow callers to add modules to the
 425          * data sets. However, the AbstractAnalysisData interface does not
 426          * provide any means to alter the data, so the module does not need to
 427          * care about external modifications.
 428          */
 429         AbstractAnalysisData &datasetFromIndex(int index) const;
 430         /*! \brief
 431          * Returns a pointer to the data set with name \p name
 432          *
 433          * \param[in] name  Data set to query for.
 434          * \returns   Reference to the requested data set.
 435          * \throws    APIError if \p name is not valid.
 436          *
 437          * \p name should be one of the names returned by datasetNames().
 438          *
 439          * The return value is not const to allow callers to add modules to the
 440          * data sets. However, the AbstractAnalysisData interface does not
 441          * provide any means to alter the data, so the module does not need to
 442          * care about external modifications.
 443          */
 444         AbstractAnalysisData &datasetFromName(const char *name) const;
 445         /*! \brief
 446          * Processes data in AnalysisData objects in serial for each frame.
 447          *
 448          * \param[in] frameIndex  Index of the frame that has been finished.
 449          *
 450          * This method is called by the framework in order for each frame,
 451          * after the analysis for that frame has been finished.  These calls
 452          * always execute in serial and in sequential frame order, even during
 453          * parallel analysis where multiple analyzeFrame() calls may be
 454          * executing concurrently.
 455          *
 456          * \see AnalysisData::finishFrameSerial()
 457          */
 458         void finishFrameSerial(int frameIndex);
 459
 460     protected:
 461         /*! \brief
 462          * Initializes the dataset registration mechanism.
 463          *
 464          * \param[in] name         Name for the module.
 465          * \param[in] description  One-line description for the module.
 466          * \throws    std::bad_alloc if out of memory.
 467          */
 468         TrajectoryAnalysisModule(const char *name, const char *description);
 469
 470         /*! \brief
 471          * Registers a dataset that exports data.
 472          *
 473          * \param     data  Data object to register.
 474          * \param[in] name  Name to register the dataset with.
 475          * \throws    std::bad_alloc if out of memory.
 476          *
 477          * Registers \p data as a dataset that provides output from the
 478          * analysis module.  Callers for the module can access the dataset
 479          * with datasetFromName() using \p name as an AbstractAnalysisData
 480          * object.  This allows them to add their own data modules to do extra
 481          * processing.
 482          *
 483          * \p name must be unique across all calls within the same
 484          * TrajectoryAnalysisModule instance.
 485          */
 486         void registerBasicDataset(AbstractAnalysisData *data, const char *name);
 487         /*! \brief
 488          * Registers a parallelized dataset that exports data.
 489          *
 490          * \param     data  AnalysisData object to register.
 491          * \param[in] name  Name to register the dataset with.
 492          * \throws    std::bad_alloc if out of memory.
 493          *
 494          * This method works as registerBasicDataset(), but additionally allows
 495          * data handles for \p data to be accessed using
 496          * TrajectoryAnalysisData.
 497          *
 498          * \see registerBasicDataset()
 499          */
 500         void registerAnalysisDataset(AnalysisData *data, const char *name);
 501
 502     private:
 503         class Impl;
 504
 505         PrivateImplPointer<Impl> impl_;
 506
 507         /*! \brief
 508          * Needed to access the registered analysis data sets.
 509          */
 510         friend class TrajectoryAnalysisModuleData;
 511 };
 512
 513 //! Smart pointer to manage a TrajectoryAnalysisModule.
 514 typedef boost::shared_ptr<TrajectoryAnalysisModule>
 515     TrajectoryAnalysisModulePointer;
 516
 517 } // namespace gmx
 518
 519 #endif