Sort all includes in src/gromacs
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / trajectoryanalysis.h
index 8f443f1291c3eba6d8c6c4257e218f086212f708..a79edd567ace198f30587eb3c25f9ec664c536ba 100644 (file)
@@ -1,34 +1,38 @@
 /*
+ * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
  *
- *                This source code is part of
+ * Copyright (c) 2011,2012,2013,2014, by the GROMACS development team, led by
+ * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
+ * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
+ * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  *
- *                 G   R   O   M   A   C   S
+ * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
+ * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
+ * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
+ * of the License, or (at your option) any later version.
  *
- *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
+ * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
+ * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+ * Lesser General Public License for more details.
  *
- * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
- * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
- * Copyright (c) 2001-2009, The GROMACS development team,
- * check out http://www.gromacs.org for more information.
-
- * This program is free software; you can redistribute it and/or
- * modify it under the terms of the GNU General Public License
- * as published by the Free Software Foundation; either version 2
- * of the License, or (at your option) any later version.
+ * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
+ * License along with GROMACS; if not, see
+ * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
+ * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  *
- * If you want to redistribute modifications, please consider that
- * scientific software is very special. Version control is crucial -
- * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
- * inclusion in the official distribution, but derived work must not
- * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
- * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
+ * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
+ * consider that scientific software is very special. Version
+ * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
+ * consider code for inclusion in the official distribution, but
+ * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
+ * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
+ * official version at http://www.gromacs.org.
  *
  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
- * the papers on the package - you can find them in the top README file.
- *
- * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
+ * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  */
-/*! \defgroup module_trajectoryanalysis Framework for Trajectory Analysis
+/*! \defgroup module_trajectoryanalysis Framework for Trajectory Analysis (trajectoryanalysis)
  * \ingroup group_analysismodules
  * \brief
  * Provides functionality for implementing trajectory analysis modules.
  * be used in advanced scenarios where the tool requires custom thread-local
  * data for parallel analysis.
  *
+ * The sequence charts below provides an overview of how the trajectory
+ * analysis modules typically interact with other components.
+ * The first chart provides an overview of the call sequence of the most
+ * important methods in gmx::TrajectoryAnalysisModule.
+ * There is a runner, which is responsible for doing the work that is shared
+ * between all trajectory analysis (such as reading the trajectory and
+ * processing selections).  The runner then calls different methods in the
+ * analysis module at appropriate points to perform the module-specific tasks.
+ * The analysis module is responsible for creating and managing
+ * gmx::AnalysisData objects, and the chart shows the most important
+ * interactions with this module as well.  Interactions with options (for
+ * command-line option processing) and selections is not shown for brevity: see
+ * \ref module_options for an overview of how options work, and the second
+ * chart for a more detailed view of how selections are accessed from an
+ * analysis module.
+ * \msc
+ *     runner,
+ *     module [ URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule" ],
+ *     data [ label="analysis data", URL="\ref module_analysisdata" ];
+ *
+ *     runner box module [ label="caller owns runner and module objects" ];
+ *     module => data [ label="create (in constructor)" ];
+ *     runner => module [ label="initOptions()",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initOptions()" ];
+ *     runner => runner [ label="parse user input" ];
+ *     runner => module [ label="optionsFinished()",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::optionsFinished()" ];
+ *     runner => runner [ label="initialize topology\nand selections" ];
+ *     runner => module [ label="initAnalysis()",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initAnalysis()" ];
+ *     module => data [ label="initialize" ];
+ *     runner => runner [ label="read frame 0" ];
+ *     runner => module [ label="initAfterFirstFrame()",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initAfterFirstFrame()" ];
+ *     --- [ label="loop over frames starts" ];
+ *     runner => runner [ label="initialize frame 0" ];
+ *     runner => module [ label="analyzeFrame(0)",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
+ *     module => data [ label="add data",
+ *                      URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle" ];
+ *     module => data [ label="finishFrame()",
+ *                      URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle::finishFrame()" ];
+ *     data => data [ label="process frame 0" ];
+ *     runner => runner [ label="read and initialize frame 1" ];
+ *     runner => module [ label="analyzeFrame(1)",
+ *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
+ *     ...;
+ *     --- [ label="loop over frames ends" ];
+ *     runner => module [ label="finishAnalysis()",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::finishAnalysis()" ];
+ *     module => data [ label="post-process data" ];
+ *     runner => module [ label="writeOutput()",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::writeOutput()" ];
+ * \endmsc
+ *
+ * The second chart below shows the interaction with selections and options
+ * with focus on selection options.  The gmx::TrajectoryAnalysisModule object
+ * creates one or more gmx::Selection variables, and uses gmx::SelectionOption
+ * to indicate them as the destination for selections.  This happens in
+ * gmx::TrajectoryAnalysisModule::initOptions().  After the options have been
+ * parsed (includes parsing any options present on the command-line or read
+ * from files, but not those provided interactively),
+ * gmx::TrajectoryAnalysisModule::optionsFinished() can adjust the selections
+ * using gmx::SelectionOptionInfo.  This is done like this to allow the
+ * analysis module to influence the interactive prompt of selections based on
+ * what command-line options were given.  After optionsFinished() returns, the
+ * interactive selection prompt is presented if necessary.  After this point,
+ * all access to selections from the analysis module is through the
+ * gmx::Selection variables: the runner is responsible for calling methods in
+ * the selection library, and these methods update the content referenced by
+ * the gmx::Selection variables.  See documentation of
+ * gmx::TrajectoryAnalysisModule for details of what the selections contain at
+ * each point.
+ * \msc
+ *     runner,
+ *     options [ label="Options", URL="\ref module_options" ],
+ *     selection [ label="selections", URL="\ref module_selection" ],
+ *     module [ label="module", URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule" ];
+ *
+ *     runner box selection [ label="all these objects are owned by the framework" ];
+ *     runner => module [ label="initOptions()",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initOptions()" ];
+ *     module => options [ label="addOption(SelectionOption)",
+ *                         URL="\ref gmx::SelectionOption" ];
+ *     module => options [ label="addOption() (other options)",
+ *                         URL="\ref gmx::Options::addOption()" ];
+ *     ...;
+ *     runner << module;
+ *     runner => options [ label="parse command-line parameters" ];
+ *     options => selection [ label="parse selections" ];
+ *     selection -> module [ label="initialize Selection variables",
+ *                           URL="\ref gmx::Selection" ];
+ *     runner << options;
+ *     runner => module [ label="optionsFinished()",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::optionsFinished()" ];
+ *     module => selection [ label="adjust SelectionOptions",
+ *                           URL="\ref gmx::SelectionOptionInfo" ];
+ *     runner << module;
+ *     runner => selection [ label="prompt missing selections" ];
+ *     selection -> module [ label="initialize Selection variables",
+ *                         URL="\ref gmx::Selection" ];
+ *     runner => selection [ label="compile selections" ];
+ *     selection -> module [ label="change content referenced\nby Selection variables" ];
+ *     runner => module [ label="initAnalysis()",
+ *                        URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::initAnalysis()" ];
+ *     ...;
+ *     --- [ label="loop over frames starts" ];
+ *     runner => runner [ label="read and initialize frame 0" ];
+ *     runner => selection [ label="evaluate selections for frame 0" ];
+ *     selection -> module [ label="change content referenced\nby Selection variables" ];
+ *     ...;
+ * \endmsc
+ *
+ * The final chart shows the flow within the frame loop in the case of parallel
+ * (threaded) execution and the interaction with the \ref module_analysisdata
+ * module in this case.  Although parallelization has not yet been implemented,
+ * it has influenced the design and needs to be understood if one wants to
+ * write modules that can take advantage of the parallelization once it gets
+ * implemented.  The parallelization takes part over frames: analyzing a single
+ * frame is one unit of work.  When the frame loop is started,
+ * gmx::TrajectoryAnalysisModule::startFrames() is called for each thread, and
+ * initializes an object that contains thread-local data needed during the
+ * analysis.  This includes selection information, gmx::AnalysisDataHandle
+ * objects, and possibly other module-specific variables.  Then, the runner
+ * reads the frames in sequence and passes the work into the different threads,
+ * together with the appropriate thread-local data object.
+ * The gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame() calls are only allowed to modify
+ * the thread-local data object; everything else is read-only.  For any output,
+ * they pass the information to gmx::AnalysisData, which takes care of ordering
+ * the data from different frames such that it gets processed in the right
+ * order.
+ * When all frames are analyzed, gmx::TrajectoryAnalysisModule::finishFrames()
+ * is called for each thread-local data object to destroy them and to
+ * accumulate possible results from them into the main
+ * gmx::TrajectoryAnalysisModule object.
+ * Note that in the diagram, some part of the work attributed for the runner
+ * (e.g., evaluating selections) will actually be carried out in the analysis
+ * threads before gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame() gets called.
+ * \msc
+ *     runner,
+ *     module [ label="module object" ],
+ *     thread1 [ label="analysis\nthread 1" ],
+ *     thread2 [ label="analysis\nthread 2" ],
+ *     data [ label="analysis data", URL="\ref module_analysisdata" ];
+ *
+ *     module box thread2 [ label="single TrajectoryAnalysisModule object",
+ *                          URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule" ];
+ *     ...;
+ *     --- [ label="loop over frames starts" ];
+ *     runner => thread1 [ label="startFrames()",
+ *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::startFrames()" ];
+ *     thread1 => data [ label="startData()",
+ *                       URL="\ref gmx::AnalysisData::startData()" ];
+ *     runner << thread1 [ label="pdata1" ];
+ *     runner => thread2 [ label="startFrames()",
+ *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::startFrames()" ];
+ *     thread2 => data [ label="startData()",
+ *                       URL="\ref gmx::AnalysisData::startData()" ];
+ *     runner << thread2 [ label="pdata2" ];
+ *     |||;
+ *     runner => runner [ label="initialize frame 0" ];
+ *     runner => thread1 [ label="analyzeFrame(0, pdata1)",
+ *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
+ *     runner => runner [ label="read and initialize frame 1" ];
+ *     runner => thread2 [ label="analyzeFrame(1, pdata2)",
+ *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
+ *     thread1 => data [ label="add data",
+ *                       URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle" ];
+ *     thread2 => data [ label="add data",
+ *                       URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle" ];
+ *     thread2 => data [ label="finishFrame(1)",
+ *                       URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle::finishFrame()" ];
+ *     runner << thread2 [ label="analyzeFrame() (frame 1)" ];
+ *     runner => runner [ label="read and initialize frame 2" ];
+ *     runner => thread2 [ label="analyzeFrame(2)",
+ *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::analyzeFrame()" ];
+ *     thread1 => data [ label="finishFrame(0)",
+ *                       URL="\ref gmx::AnalysisDataHandle::finishFrame()" ];
+ *     data => data [ label="process frame 0" ];
+ *     data => data [ label="process frame 1" ];
+ *     runner << thread1 [ label="analyzeFrame() (frame 0)" ];
+ *     ...;
+ *     runner => thread1 [ label="finishFrames(pdata1)",
+ *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::finishFrames()" ];
+ *     thread1 => data [ label="finishData()",
+ *                       URL="\ref gmx::AnalysisData::finishData()" ];
+ *     thread1 -> module [ label="accumulate results" ];
+ *     runner << thread1;
+ *     runner => thread2 [ label="finishFrames(pdata2)",
+ *                         URL="\ref gmx::TrajectoryAnalysisModule::finishFrames()" ];
+ *     thread2 => data [ label="finishData()",
+ *                       URL="\ref gmx::AnalysisData::finishData()" ];
+ *     thread2 -> module [ label="accumulate results" ];
+ *     runner << thread2;
+ *     --- [ label="loop over frames ends" ];
+ *     ...;
+ * \endmsc
+ *
  * In addition to the framework for defining analysis modules, this module also
  * provides gmx::TrajectoryAnalysisCommandLineRunner, which implements a
  * command-line program that runs a certain analysis module.
  *
  * Internally, the module also defines a set of trajectory analysis modules that
- * can be instantiated using createTrajectoryAnalysisModule().
+ * can currently be accessed only through gmx::registerTrajectoryAnalysisModules.
  *
  * For an example of how to implement an analysis tool using the framework, see
  * \ref template.cpp.
  *
- * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@cbr.su.se>
+ * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@gmail.com>
  */
 /*! \file
  * \brief
  * Public API convenience header for trajectory analysis framework
  *
- * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@cbr.su.se>
+ * \author Teemu Murtola <teemu.murtola@gmail.com>
  * \inpublicapi
  * \ingroup module_trajectoryanalysis
  */
 #ifndef GMX_TRAJECTORYANALYSIS_H
 #define GMX_TRAJECTORYANALYSIS_H
 
-#include "analysisdata.h"
-#include "options.h"
-#include "selection.h"
-
-#include "selection/nbsearch.h"
-#include "trajectoryanalysis/analysismodule.h"
-#include "trajectoryanalysis/analysissettings.h"
-#include "trajectoryanalysis/cmdlinerunner.h"
-#include "utility/exceptions.h"
-#include "utility/stringutil.h"
+#include "gromacs/analysisdata.h"
+#include "gromacs/options.h"
+#include "gromacs/selection.h"
+#include "gromacs/fileio/trx.h"
+#include "gromacs/selection/nbsearch.h"
+#include "gromacs/topology/topology.h"
+#include "gromacs/trajectoryanalysis/analysismodule.h"
+#include "gromacs/trajectoryanalysis/analysissettings.h"
+#include "gromacs/trajectoryanalysis/cmdlinerunner.h"
+#include "gromacs/utility/arrayref.h"
+#include "gromacs/utility/exceptions.h"
 
 #endif