src/gromacs/trajectoryanalysis.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 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 /*! \defgroup module_trajectoryanalysis Framework for Trajectory Analysis (trajectoryanalysis)
  36  * \ingroup group_analysismodules
  37  * \brief
  38  * Provides functionality for implementing trajectory analysis modules.
  39  *
  40  * This module implements a framework for implementing flexible trajectory
  41  * analysis routines.  It provides a base class for implementing analysis as
  42  * reusable modules that can be used from different contexts and can also
  43  * support per-frame parallelization.  It integrally uses functionality from the
  44  * following modules:
  45  *  - \ref module_options
  46  *  - \ref module_analysisdata
  47  *  - \ref module_selection
  48  *
  49  * The main interface of this module is the gmx::TrajectoryAnalysisModule class.
  50  * Analysis modules should derive from this class, and override the necessary
  51  * virtual methods to provide the actual initialization and analysis routines.
  52  * Classes gmx::TrajectoryAnalysisSettings and gmx::TopologyInformation (in
  53  * addition to classes declared in the above-mentioned modules) are used to pass
  54  * information to and from these methods.  gmx::TrajectoryAnalysisModuleData can
  55  * be used in advanced scenarios where the tool requires custom thread-local
  56  * data for parallel analysis.
  57  *
  58  * The sequence charts below provides an overview of how the trajectory
  59  * analysis modules typically interact with other components.
  60  * The first chart provides an overview of the call sequence of the most
  61  * important methods in gmx::TrajectoryAnalysisModule.
  62  * There is a runner, which is responsible for doing the work that is shared
  63  * between all trajectory analysis (such as reading the trajectory and
  64  * processing selections).  The runner then calls different methods in the
  65  * analysis module at appropriate points to perform the module-specific tasks.
  66  * The analysis module is responsible for creating and managing
  67  * gmx::AnalysisData objects, and the chart shows the most important
  68  * interactions with this module as well.  However, the runner takes
  69  * responsibility of calling gmx::AnalysisData::finishFrameSerial().
  70  * Interactions with options (for command-line option processing) and
  71  * selections is not shown for brevity: see \ref module_options for an overview
  72  * of how options work, and the second chart for a more detailed view of how
  73  * selections are accessed from an analysis module.
  74  * \msc
  75  *     runner,
  76  *     module [ URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule" ],
  77  *     data [ label="analysis data", URL="\ref module_analysisdata" ];
  78  *
  79  *     runner box module [ label="caller owns runner and module objects" ];
  80  *     module => data [ label="create (in constructor)" ];
  81  *     runner => module [ label="initOptions()",
  82  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initOptions()" ];
  83  *     runner => runner [ label="parse user input" ];
  84  *     runner => module [ label="optionsFinished()",
  85  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::optionsFinished()" ];
  86  *     runner => runner [ label="initialize topology\nand selections" ];
  87  *     runner => module [ label="initAnalysis()",
  88  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initAnalysis()" ];
  89  *     module => data [ label="initialize" ];
  90  *     runner => runner [ label="read frame 0" ];
  91  *     runner => module [ label="initAfterFirstFrame()",
  92  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initAfterFirstFrame()" ];
  93  *     --- [ label="loop over frames starts" ];
  94  *     runner => runner [ label="initialize frame 0" ];
  95  *     runner => module [ label="analyzeFrame(0)",
  96  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
  97  *     module => data [ label="add data",
  98  *                      URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle" ];
  99  *     module => data [ label="finishFrame()",
 100  *                      URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle::finishFrame()" ];
 101  *     runner => data [ label="finishFrameSerial()",
 102  *                      URL="\ref gmx::AnalysisData::finishFrameSerial()" ];
 103  *     runner => runner [ label="read and initialize frame 1" ];
 104  *     runner => module [ label="analyzeFrame(1)",
 105  *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
 106  *     ...;
 107  *     --- [ label="loop over frames ends" ];
 108  *     runner => module [ label="finishAnalysis()",
 109  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::finishAnalysis()" ];
 110  *     module => data [ label="post-process data" ];
 111  *     runner => module [ label="writeOutput()",
 112  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::writeOutput()" ];
 113  * \endmsc
 114  *
 115  * The second chart below shows the interaction with selections and options
 116  * with focus on selection options.  The gmx::TrajectoryAnalysisModule object
 117  * creates one or more gmx::Selection variables, and uses gmx::SelectionOption
 118  * to indicate them as the destination for selections.  This happens in
 119  * gmx::TrajectoryAnalysisModule::initOptions().  After the options have been
 120  * parsed (includes parsing any options present on the command-line or read
 121  * from files, but not those provided interactively),
 122  * gmx::TrajectoryAnalysisModule::optionsFinished() can adjust the selections
 123  * using gmx::SelectionOptionInfo.  This is done like this to allow the
 124  * analysis module to influence the interactive prompt of selections based on
 125  * what command-line options were given.  After optionsFinished() returns, the
 126  * interactive selection prompt is presented if necessary.  After this point,
 127  * all access to selections from the analysis module is through the
 128  * gmx::Selection variables: the runner is responsible for calling methods in
 129  * the selection library, and these methods update the content referenced by
 130  * the gmx::Selection variables.  See documentation of
 131  * gmx::TrajectoryAnalysisModule for details of what the selections contain at
 132  * each point.
 133  * \msc
 134  *     runner,
 135  *     options [ label="Options", URL="\ref module_options" ],
 136  *     selection [ label="selections", URL="\ref module_selection" ],
 137  *     module [ label="module", URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule" ];
 138  *
 139  *     runner box selection [ label="all these objects are owned by the framework" ];
 140  *     runner => module [ label="initOptions()",
 141  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initOptions()" ];
 142  *     module => options [ label="addOption(SelectionOption)",
 143  *                         URL="\ref gmx::SelectionOption" ];
 144  *     module => options [ label="addOption() (other options)",
 145  *                         URL="\ref gmx::Options::addOption()" ];
 146  *     ...;
 147  *     runner << module;
 148  *     runner => options [ label="parse command-line parameters" ];
 149  *     options => selection [ label="parse selections" ];
 150  *     selection -> module [ label="initialize Selection variables",
 151  *                           URL="\ref gmx::Selection" ];
 152  *     runner << options;
 153  *     runner => module [ label="optionsFinished()",
 154  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::optionsFinished()" ];
 155  *     module => selection [ label="adjust SelectionOptions",
 156  *                           URL="\ref gmx::SelectionOptionInfo" ];
 157  *     runner << module;
 158  *     runner => selection [ label="prompt missing selections" ];
 159  *     selection -> module [ label="initialize Selection variables",
 160  *                         URL="\ref gmx::Selection" ];
 161  *     runner => selection [ label="compile selections" ];
 162  *     selection -> module [ label="change content referenced\nby Selection variables" ];
 163  *     runner => module [ label="initAnalysis()",
 164  *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initAnalysis()" ];
 165  *     ...;
 166  *     --- [ label="loop over frames starts" ];
 167  *     runner => runner [ label="read and initialize frame 0" ];
 168  *     runner => selection [ label="evaluate selections for frame 0" ];
 169  *     selection -> module [ label="change content referenced\nby Selection variables" ];
 170  *     ...;
 171  * \endmsc
 172  *
 173  * The final chart shows the flow within the frame loop in the case of parallel
 174  * (threaded) execution and the interaction with the \ref module_analysisdata
 175  * module in this case.  Although parallelization has not yet been implemented,
 176  * it has influenced the design and needs to be understood if one wants to
 177  * write modules that can take advantage of the parallelization once it gets
 178  * implemented.  The parallelization takes part over frames: analyzing a single
 179  * frame is one unit of work.  When the frame loop is started,
 180  * gmx::TrajectoryAnalysisModule::startFrames() is called for each thread, and
 181  * initializes an object that contains thread-local data needed during the
 182  * analysis.  This includes selection information, gmx::AnalysisDataHandle
 183  * objects, and possibly other module-specific variables.  Then, the runner
 184  * reads the frames in sequence and passes the work into the different threads,
 185  * together with the appropriate thread-local data object.
 186  * The gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame() calls are only allowed to modify
 187  * the thread-local data object; everything else is read-only.  For any output,
 188  * they pass the information to gmx::AnalysisData, which together with the
 189  * runner takes care of ordering the data from different frames such that it
 190  * gets processed in the right order.
 191  * When all frames are analyzed, gmx::TrajectoryAnalysisModule::finishFrames()
 192  * is called for each thread-local data object to destroy them and to
 193  * accumulate possible results from them into the main
 194  * gmx::TrajectoryAnalysisModule object.
 195  * Note that in the diagram, some part of the work attributed for the runner
 196  * (e.g., evaluating selections) will actually be carried out in the analysis
 197  * threads before gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame() gets called.
 198  * \msc
 199  *     runner,
 200  *     module [ label="module object" ],
 201  *     thread1 [ label="analysis\nthread 1" ],
 202  *     thread2 [ label="analysis\nthread 2" ],
 203  *     data [ label="analysis data", URL="\ref module_analysisdata" ];
 204  *
 205  *     module box thread2 [ label="single TrajectoryAnalysisModule object",
 206  *                          URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule" ];
 207  *     ...;
 208  *     --- [ label="loop over frames starts" ];
 209  *     runner => thread1 [ label="startFrames()",
 210  *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::startFrames()" ];
 211  *     thread1 => data [ label="startData()",
 212  *                       URL="\ref gmx::AnalysisData::startData()" ];
 213  *     runner << thread1 [ label="pdata1" ];
 214  *     runner => thread2 [ label="startFrames()",
 215  *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::startFrames()" ];
 216  *     thread2 => data [ label="startData()",
 217  *                       URL="\ref gmx::AnalysisData::startData()" ];
 218  *     runner << thread2 [ label="pdata2" ];
 219  *     |||;
 220  *     runner => runner [ label="initialize frame 0" ];
 221  *     runner => thread1 [ label="analyzeFrame(0, pdata1)",
 222  *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
 223  *     runner => runner [ label="read and initialize frame 1" ];
 224  *     runner => thread2 [ label="analyzeFrame(1, pdata2)",
 225  *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
 226  *     thread1 => data [ label="add data",
 227  *                       URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle" ];
 228  *     thread2 => data [ label="add data",
 229  *                       URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle" ];
 230  *     thread2 => data [ label="finishFrame(1)",
 231  *                       URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle::finishFrame()" ];
 232  *     runner << thread2 [ label="analyzeFrame() (frame 1)" ];
 233  *     runner => runner [ label="read and initialize frame 2" ];
 234  *     runner => thread2 [ label="analyzeFrame(2)",
 235  *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
 236  *     thread1 => data [ label="finishFrame(0)",
 237  *                       URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle::finishFrame()" ];
 238  *     runner << thread1 [ label="analyzeFrame() (frame 0)" ];
 239  *     runner => data [ label="finishFrameSerial() (frame 0)",
 240  *                      URL="\ref gmx::AnalysisData::finishFrameSerial()" ];
 241  *     runner => data [ label="finishFrameSerial() (frame 1)",
 242  *                      URL="\ref gmx::AnalysisData::finishFrameSerial()" ];
 243  *     ...;
 244  *     runner => thread1 [ label="finishFrames(pdata1)",
 245  *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::finishFrames()" ];
 246  *     thread1 => data [ label="finishData()",
 247  *                       URL="\ref gmx::AnalysisData::finishData()" ];
 248  *     thread1 -> module [ label="accumulate results" ];
 249  *     runner << thread1;
 250  *     runner => thread2 [ label="finishFrames(pdata2)",
 251  *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::finishFrames()" ];
 252  *     thread2 => data [ label="finishData()",
 253  *                       URL="\ref gmx::AnalysisData::finishData()" ];
 254  *     thread2 -> module [ label="accumulate results" ];
 255  *     runner << thread2;
 256  *     --- [ label="loop over frames ends" ];
 257  *     ...;
 258  * \endmsc
 259  *
 260  * In addition to the framework for defining analysis modules, this module also
 261  * provides gmx::TrajectoryAnalysisCommandLineRunner, which implements a
 262  * command-line program that runs a certain analysis module.
 263  *
 264  * Internally, the module also defines a set of trajectory analysis modules that
 265  * can currently be accessed only through gmx::registerTrajectoryAnalysisModules.
 266  *
 267  * For an example of how to implement an analysis tool using the framework, see
 268  * \ref template.cpp.
 269  *
 270  * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@gmail.com>
 271  */
 272 /*! \file
 273  * \brief
 274  * Public API convenience header for trajectory analysis framework
 275  *
 276  * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@gmail.com>
 277  * \inpublicapi
 278  * \ingroup module_trajectoryanalysis
 279  */
 280 #ifndef GMX_TRAJECTORYANALYSIS_H
 281 #define GMX_TRAJECTORYANALYSIS_H
 282
 283 #include "gromacs/analysisdata.h"
 284 #include "gromacs/options.h"
 285 #include "gromacs/selection.h"
 286 #include "gromacs/selection/nbsearch.h"
 287 #include "gromacs/topology/topology.h"
 288 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
 289 #include "gromacs/trajectoryanalysis/analysismodule.h"
 290 #include "gromacs/trajectoryanalysis/analysissettings.h"
 291 #include "gromacs/trajectoryanalysis/cmdlinerunner.h"
 292 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
 293 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
 294
 295 #endif