ac84c96273ee4eef5f82dc6eaa087852c34c98a9
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / mdlib / groupcoord.cpp
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) 2001-2008, The GROMACS development team.
6  * Copyright (c) 2012,2014,2015,2017,2018 by the GROMACS development team.
7  * Copyright (c) 2019,2020,2021, 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 #include "gmxpre.h"
39
40 #include "groupcoord.h"
41
42 #include "gromacs/domdec/ga2la.h"
43 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
44 #include "gromacs/math/vec.h"
45 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
46 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
47 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
48
49 #define MIN(a, b) (((a) < (b)) ? (a) : (b))
50
51
52 /* Select the indices of the group's atoms which are local and store them in
53  * anrs_loc[0..nr_loc]. The indices are saved in coll_ind[] for later reduction
54  * in communicate_group_positions()
55  */
56 void dd_make_local_group_indices(const gmx_ga2la_t* ga2la,
57                                  const int nr,    /* IN:  Total number of atoms in the group */
58                                  int  anrs[],     /* IN:  Global atom numbers of the groups atoms */
59                                  int* nr_loc,     /* OUT: Number of group atoms found locally */
60                                  int* anrs_loc[], /* OUT: Local atom numbers of the group  */
61                                  int* nalloc_loc, /* IN+OUT: Allocation size of anrs_loc */
62                                  int coll_ind[]) /* OUT (opt): Where is this position found in the collective array? */
63 {
64     GMX_ASSERT(ga2la, "We need a valid ga2la object");
65
66     /* Loop over all the atom indices of the group to check
67      * which ones are on the local node */
68     int localnr = 0;
69     for (int i = 0; i < nr; i++)
70     {
71         if (const int* ii = ga2la->findHome(anrs[i]))
72         {
73             /* The atom with this index is a home atom */
74             if (localnr >= *nalloc_loc) /* Check whether memory suffices */
75             {
76                 *nalloc_loc = over_alloc_dd(localnr + 1);
77                 /* We never need more memory than the number of atoms in the group */
78                 *nalloc_loc = MIN(*nalloc_loc, nr);
79                 srenew(*anrs_loc, *nalloc_loc);
80             }
81             /* Save the atoms index in the local atom numbers array */
82             (*anrs_loc)[localnr] = *ii;
83
84             if (coll_ind != nullptr)
85             {
86                 /* Keep track of where this local atom belongs in the collective index array.
87                  * This is needed when reducing the local arrays to a collective/global array
88                  * in communicate_group_positions */
89                 coll_ind[localnr] = i;
90             }
91
92             /* add one to the local atom count */
93             localnr++;
94         }
95     }
96
97     /* Return the number of local atoms that were found */
98     *nr_loc = localnr;
99 }
100
101
102 static void get_shifts_group(int          npbcdim,
103                              const matrix box,
104                              rvec*        xcoll, /* IN:  Collective set of positions [0..nr] */
105                              int          nr,    /* IN:  Total number of atoms in the group */
106                              rvec* xcoll_old, /* IN:  Positions from the last time step [0...nr] */
107                              ivec* shifts)    /* OUT: Shifts for xcoll */
108 {
109     int  i, m, d;
110     rvec dx;
111
112
113     /* Get the shifts such that each atom is within closest
114      * distance to its position at the last NS time step after shifting.
115      * If we start with a whole group, and always keep track of
116      * shift changes, the group will stay whole this way */
117     for (i = 0; i < nr; i++)
118     {
119         clear_ivec(shifts[i]);
120     }
121
122     for (i = 0; i < nr; i++)
123     {
124         /* The distance this atom moved since the last time step */
125         /* If this is more than just a bit, it has changed its home pbc box */
126         rvec_sub(xcoll[i], xcoll_old[i], dx);
127
128         for (m = npbcdim - 1; m >= 0; m--)
129         {
130             while (dx[m] < -0.5 * box[m][m])
131             {
132                 for (d = 0; d < DIM; d++)
133                 {
134                     dx[d] += box[m][d];
135                 }
136                 shifts[i][m]++;
137             }
138             while (dx[m] >= 0.5 * box[m][m])
139             {
140                 for (d = 0; d < DIM; d++)
141                 {
142                     dx[d] -= box[m][d];
143                 }
144                 shifts[i][m]--;
145             }
146         }
147     }
148 }
149
150
151 static void shift_positions_group(const matrix box,
152                                   rvec         x[], /* The positions [0..nr] */
153                                   ivec*        is,  /* The shifts [0..nr] */
154                                   int          nr)           /* The number of positions and shifts */
155 {
156     int i, tx, ty, tz;
157
158
159     /* Loop over the group's atoms */
160     if (TRICLINIC(box))
161     {
162         for (i = 0; i < nr; i++)
163         {
164             tx = is[i][XX];
165             ty = is[i][YY];
166             tz = is[i][ZZ];
167
168             x[i][XX] = x[i][XX] + tx * box[XX][XX] + ty * box[YY][XX] + tz * box[ZZ][XX];
169             x[i][YY] = x[i][YY] + ty * box[YY][YY] + tz * box[ZZ][YY];
170             x[i][ZZ] = x[i][ZZ] + tz * box[ZZ][ZZ];
171         }
172     }
173     else
174     {
175         for (i = 0; i < nr; i++)
176         {
177             tx = is[i][XX];
178             ty = is[i][YY];
179             tz = is[i][ZZ];
180
181             x[i][XX] = x[i][XX] + tx * box[XX][XX];
182             x[i][YY] = x[i][YY] + ty * box[YY][YY];
183             x[i][ZZ] = x[i][ZZ] + tz * box[ZZ][ZZ];
184         }
185     }
186 }
187
188
189 /* Assemble the positions of the group such that every node has all of them.
190  * The atom indices are retrieved from anrs_loc[0..nr_loc]
191  * Note that coll_ind[i] = i is needed in the serial case */
192 extern void communicate_group_positions(const t_commrec* cr, /* Pointer to MPI communication data */
193                                         rvec*            xcoll, /* Collective array of positions */
194                                         ivec* shifts, /* Collective array of shifts for xcoll (can be NULL) */
195                                         ivec* extra_shifts, /* (optional) Extra shifts since last time step */
196                                         const gmx_bool bNS, /* (optional) NS step, the shifts have changed */
197                                         const rvec* x_loc,  /* Local positions on this node */
198                                         const int   nr,     /* Total number of atoms in the group */
199                                         const int   nr_loc, /* Local number of atoms in the group */
200                                         const int*  anrs_loc, /* Local atom numbers */
201                                         const int*  coll_ind, /* Collective index */
202                                         rvec* xcoll_old,  /* (optional) Positions from the last time
203                                                              step,  used to make group whole */
204                                         const matrix box) /* (optional) The box */
205 {
206     int i;
207
208
209     /* Zero out the groups' global position array */
210     clear_rvecs(nr, xcoll);
211
212     /* Put the local positions that this node has into the right place of
213      * the collective array. Note that in the serial case, coll_ind[i] = i */
214     for (i = 0; i < nr_loc; i++)
215     {
216         copy_rvec(x_loc[anrs_loc[i]], xcoll[coll_ind[i]]);
217     }
218
219     if (PAR(cr))
220     {
221         /* Add the arrays from all nodes together */
222         gmx_sum(nr * 3, xcoll[0], cr);
223     }
224     /* Now we have all the positions of the group in the xcoll array present on all
225      * nodes.
226      *
227      * The rest of the code is for making the group whole again in case atoms changed
228      * their PBC representation / crossed a box boundary. We only do that if the
229      * shifts array is allocated. */
230     if (nullptr != shifts)
231     {
232         /* To make the group whole, start with a whole group and each
233          * step move the assembled positions at closest distance to the positions
234          * from the last step. First shift the positions with the saved shift
235          * vectors (these are 0 when this routine is called for the first time!) */
236         shift_positions_group(box, xcoll, shifts, nr);
237
238         /* Now check if some shifts changed since the last step.
239          * This only needs to be done when the shifts are expected to have changed,
240          * i.e. after neighbor searching */
241         if (bNS)
242         {
243             get_shifts_group(3, box, xcoll, nr, xcoll_old, extra_shifts);
244
245             /* Shift with the additional shifts such that we get a whole group now */
246             shift_positions_group(box, xcoll, extra_shifts, nr);
247
248             /* Add the shift vectors together for the next time step */
249             for (i = 0; i < nr; i++)
250             {
251                 shifts[i][XX] += extra_shifts[i][XX];
252                 shifts[i][YY] += extra_shifts[i][YY];
253                 shifts[i][ZZ] += extra_shifts[i][ZZ];
254             }
255
256             /* Store current correctly-shifted positions for comparison in the next NS time step */
257             for (i = 0; i < nr; i++)
258             {
259                 copy_rvec(xcoll[i], xcoll_old[i]);
260             }
261         }
262     }
263 }
264
265
266 /* Determine the (weighted) sum vector from positions x */
267 extern double get_sum_of_positions(rvec x[], real weight[], const int nat, dvec dsumvec)
268 {
269     int    i;
270     rvec   x_weighted;
271     double weight_sum = 0.0;
272
273
274     /* Zero out the center */
275     clear_dvec(dsumvec);
276
277     /* Loop over all atoms and add their weighted position vectors */
278     if (weight != nullptr)
279     {
280         for (i = 0; i < nat; i++)
281         {
282             weight_sum += weight[i];
283             svmul(weight[i], x[i], x_weighted);
284             dsumvec[XX] += x_weighted[XX];
285             dsumvec[YY] += x_weighted[YY];
286             dsumvec[ZZ] += x_weighted[ZZ];
287         }
288     }
289     else
290     {
291         for (i = 0; i < nat; i++)
292         {
293             dsumvec[XX] += x[i][XX];
294             dsumvec[YY] += x[i][YY];
295             dsumvec[ZZ] += x[i][ZZ];
296         }
297     }
298     return weight_sum;
299 }
300
301
302 /* Determine center of structure from collective positions x */
303 extern void get_center(rvec x[], real weight[], const int nr, rvec rcenter)
304 {
305     dvec   dcenter;
306     double weight_sum, denom;
307
308
309     weight_sum = get_sum_of_positions(x, weight, nr, dcenter);
310
311     if (weight != nullptr)
312     {
313         denom = weight_sum; /* Divide by the sum of weight */
314     }
315     else
316     {
317         denom = nr; /* Divide by the number of atoms */
318     }
319     dsvmul(1.0 / denom, dcenter, dcenter);
320
321     rcenter[XX] = dcenter[XX];
322     rcenter[YY] = dcenter[YY];
323     rcenter[ZZ] = dcenter[ZZ];
324 }
325
326
327 /* Get the center from local positions that already have the correct
328  * PBC representation */
329 extern void get_center_comm(const t_commrec* cr,
330                             rvec             x_loc[],      /* Local positions */
331                             real             weight_loc[], /* Local masses or other weights */
332                             int              nr_loc,       /* Local number of atoms */
333                             int              nr_group,     /* Total number of atoms of the group */
334                             rvec             center)                   /* Weighted center */
335 {
336     double weight_sum, denom;
337     dvec   dsumvec;
338     double buf[4];
339
340
341     weight_sum = get_sum_of_positions(x_loc, weight_loc, nr_loc, dsumvec);
342
343     /* Add the local contributions from all nodes. Put the sum vector and the
344      * weight in a buffer array so that we get along with a single communication
345      * call. */
346     if (PAR(cr))
347     {
348         buf[0] = dsumvec[XX];
349         buf[1] = dsumvec[YY];
350         buf[2] = dsumvec[ZZ];
351         buf[3] = weight_sum;
352
353         /* Communicate buffer */
354         gmx_sumd(4, buf, cr);
355
356         dsumvec[XX] = buf[0];
357         dsumvec[YY] = buf[1];
358         dsumvec[ZZ] = buf[2];
359         weight_sum  = buf[3];
360     }
361
362     if (weight_loc != nullptr)
363     {
364         denom = 1.0 / weight_sum; /* Divide by the sum of weight to get center of mass e.g. */
365     }
366     else
367     {
368         denom = 1.0 / nr_group; /* Divide by the number of atoms to get the geometrical center */
369     }
370     center[XX] = dsumvec[XX] * denom;
371     center[YY] = dsumvec[YY] * denom;
372     center[ZZ] = dsumvec[ZZ] * denom;
373 }
374
375
376 /* Translate x with transvec */
377 extern void translate_x(rvec x[], const int nr, const rvec transvec)
378 {
379     int i;
380
381
382     for (i = 0; i < nr; i++)
383     {
384         rvec_inc(x[i], transvec);
385     }
386 }
387
388
389 extern void rotate_x(rvec x[], const int nr, matrix rmat)
390 {
391     int  i, j, k;
392     rvec x_old;
393
394
395     /* Apply the rotation matrix */
396     for (i = 0; i < nr; i++)
397     {
398         for (j = 0; j < 3; j++)
399         {
400             x_old[j] = x[i][j];
401         }
402         for (j = 0; j < 3; j++)
403         {
404             x[i][j] = 0;
405             for (k = 0; k < 3; k++)
406             {
407                 x[i][j] += rmat[k][j] * x_old[k];
408             }
409         }
410     }
411 }