Merge branch release-2018
authorMark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
Thu, 23 Aug 2018 21:40:50 +0000 (23:40 +0200)
committerMark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
Fri, 24 Aug 2018 09:28:43 +0000 (11:28 +0200)
Clashes in set_pull_init signature.

Issues with new pull checks from LocalAtomSet refactoring.

Transfered change to PME-on-GPU availability to new
location.

Ignored changes to pre-submit, because no longer appropriate.

Adopted changes to gmx solvate into master. The new test
coverage finds a memory leak that is fixed in this patch with
a refactoring of sort_molecule and add_solv.

Needed to include domdec/collect.h now used in master because
a function call from it was introduced in release-2018.

Change-Id: I5f7fcdf52a6093b455bd6e31c264696d88ced2ac

31 files changed:
1  2 
admin/builds/pre-submit-matrix.txt
cmake/gmxManageGPU.cmake
cmake/gmxVersionInfo.cmake
docs/CMakeLists.txt
docs/release-notes/index.rst
docs/user-guide/mdrun-performance.rst
src/buildinfo.h.cmakein
src/gromacs/domdec/domdec.cpp
src/gromacs/ewald/pme.cpp
src/gromacs/fileio/confio.cpp
src/gromacs/gmxana/gmx_rms.cpp
src/gromacs/gmxana/gmx_trjconv.cpp
src/gromacs/gmxpreprocess/grompp.cpp
src/gromacs/gmxpreprocess/readir.h
src/gromacs/gmxpreprocess/readpull.cpp
src/gromacs/gmxpreprocess/solvate.cpp
src/gromacs/gmxpreprocess/tests/solvate.cpp
src/gromacs/gpu_utils/gpu_utils.cu
src/gromacs/gpu_utils/ocl_compiler.cpp
src/gromacs/mdlib/calc_verletbuf.cpp
src/gromacs/mdlib/mdebin.cpp
src/gromacs/mdlib/nbnxn_cuda/nbnxn_cuda_data_mgmt.cu
src/gromacs/mdlib/nbnxn_ocl/nbnxn_ocl_data_mgmt.cpp
src/gromacs/mdlib/ns.cpp
src/gromacs/mdrun/minimize.cpp
src/gromacs/pulling/pull.h
src/gromacs/pulling/pullutil.cpp
src/gromacs/simd/impl_x86_avx_256/impl_x86_avx_256_simd_double.h
src/gromacs/simd/tests/simd_floatingpoint.cpp
src/gromacs/simd/tests/simd_integer.cpp
src/gromacs/utility/binaryinformation.cpp

index 171526ad48fc39653e2c8a4d2b80b8f39240cc57,c0485c0f2606b6b569aae3d2f002be92d7f7bf82..a2a63544dec1d26cae45c25ce015e22af3d92d1f
  # Test oldest supported CUDA
  # Test oldest supported Ubuntu
  # Test MPI with CUDA
+ # Test cmake version from before new FindCUDA support (in 3.8)
  # Test MPMD PME with library MPI
 -gcc-4.8 gpu cuda-6.5 cmake-3.6.1 mpi npme=1 nranks=2 openmp
 +# Test recent cmake (3.7+), to cover minor FindCUDA changes from 3.7.0
 +gcc-4.8 gpu cuda-7.0 cmake-3.8.1 mpi npme=1 nranks=2 openmp
  
 +# Test non-default use of mdrun -gpu_id
  # Test newest gcc supported by newest CUDA at time of release
  # Test thread-MPI with CUDA
 -# Test cmake FindCUDA functionality introduced in 3.8
 +# Test older cmake version (< 3.7)
  # Test SIMD implementation of pair search for GPU code-path
 -gcc-6 gpu cuda-9.0 thread-mpi openmp cmake-3.8.1 release-with-assert simd=avx2_256
 +gcc-7 gpu gpu_id=1 cuda-9.2 thread-mpi openmp cmake-3.6.1 release-with-assert simd=avx2_256
  
  # Test newest cmake at time of release
  # Test with ThreadSanitizer (compiled without OpenMP, even though
index 9eb99cea9acef27eeae723da96578f973204efc4,2a7dee35b0754867e921b7d08ca00da7bca354f1..5a315c40fe46cd23f6a046b9c1bc63df7a49add9
@@@ -267,34 -271,36 +267,9 @@@ macro(gmx_gpu_setup
          if(NOT GMX_OPENMP)
              message(WARNING "To use GPU acceleration efficiently, mdrun requires OpenMP multi-threading. Without OpenMP a single CPU core can be used with a GPU which is not optimal. Note that with MPI multiple processes can be forced to use a single GPU, but this is typically inefficient. You need to set both C and C++ compilers that support OpenMP (CC and CXX environment variables, respectively) when using GPUs.")
          endif()
-         if(NOT GMX_CLANG_CUDA)
-             gmx_check_if_changed(GMX_CHECK_NVCC CUDA_NVCC_EXECUTABLE CUDA_HOST_COMPILER CUDA_NVCC_FLAGS)
-             if(GMX_CHECK_NVCC OR NOT GMX_NVCC_WORKS)
-                 message(STATUS "Check for working NVCC/C compiler combination")
-                 execute_process(COMMAND ${CUDA_NVCC_EXECUTABLE} -ccbin ${CUDA_HOST_COMPILER} -c ${CUDA_NVCC_FLAGS} ${CMAKE_SOURCE_DIR}/cmake/TestCUDA.cu
-                                 RESULT_VARIABLE _cuda_test_res
-                                 OUTPUT_VARIABLE _cuda_test_out
-                                 ERROR_VARIABLE  _cuda_test_err
-                                 OUTPUT_STRIP_TRAILING_WHITESPACE)
-                 if(${_cuda_test_res})
-                     message(STATUS "Check for working NVCC/C compiler combination - broken")
-                     if(${_cuda_test_err} MATCHES "nsupported")
-                         message(FATAL_ERROR "NVCC/C compiler combination does not seem to be supported. CUDA frequently does not support the latest versions of the host compiler, so you might want to try an earlier C/C++ compiler version and make sure your CUDA compiler and driver are as recent as possible.")
-                     else()
-                         message(FATAL_ERROR "CUDA compiler does not seem to be functional.")
-                     endif()
-                 elseif(NOT GMX_CUDA_TEST_COMPILER_QUIETLY)
-                     message(STATUS "Check for working NVCC/C compiler combination - works")
-                     set(GMX_NVCC_WORKS TRUE CACHE INTERNAL "Nvcc can compile a trivial test program")
-                 endif()
-             endif() # GMX_CHECK_NVCC
-         endif() #GMX_CLANG_CUDA
      endif() # GMX_GPU
  
 -    if (GMX_CLANG_CUDA)
 -        set (_GMX_CUDA_NB_SINGLE_COMPILATION_UNIT_DEFAULT FALSE)
 -    else()
 -        set (_GMX_CUDA_NB_SINGLE_COMPILATION_UNIT_DEFAULT TRUE)
 -    endif()
 -    cmake_dependent_option(GMX_CUDA_NB_SINGLE_COMPILATION_UNIT
 -        "Whether to compile the CUDA non-bonded module using a single compilation unit." ${_GMX_CUDA_NB_SINGLE_COMPILATION_UNIT_DEFAULT}
 -        "GMX_GPU" ON)
 +    option(GMX_CUDA_NB_SINGLE_COMPILATION_UNIT "Whether to compile the CUDA non-bonded module using a single compilation unit." OFF)
      mark_as_advanced(GMX_CUDA_NB_SINGLE_COMPILATION_UNIT)
  
 -    if (GMX_GPU AND NOT GMX_CLANG_CUDA)
 -        # We need to use single compilation unit for kernels:
 -        # when compiling with nvcc for CC 2.x devices where buggy kernel code is generated
 -        gmx_check_if_changed(_gmx_cuda_target_changed GMX_CUDA_TARGET_SM GMX_CUDA_TARGET_COMPUTE CUDA_NVCC_FLAGS)
 -
 -        if(_gmx_cuda_target_changed OR NOT GMX_GPU_DETECTION_DONE)
 -            # CUDA 9.0 does not support CC 2.0; if arch targets are
 -            # generated from a manually provided list, we check for 2x
 -            # targets to see if single compilation unit needs to be on.
 -            if((CUDA_VERSION VERSION_LESS "9.0") AND
 -               ((NOT GMX_CUDA_TARGET_SM AND NOT GMX_CUDA_TARGET_COMPUTE) OR
 -                (GMX_CUDA_TARGET_SM MATCHES "2[01]" OR GMX_CUDA_TARGET_COMPUTE MATCHES "2[01]")))
 -                message(STATUS "Enabling single compilation unit for the CUDA non-bonded module. Multiple compilation units are not compatible with CC 2.x devices, to enable the feature specify only CC >=3.0 target architectures in GMX_CUDA_TARGET_SM/GMX_CUDA_TARGET_COMPUTE.")
 -                set_property(CACHE GMX_CUDA_NB_SINGLE_COMPILATION_UNIT PROPERTY VALUE ON)
 -            else()
 -                message(STATUS "Enabling multiple compilation units for the CUDA non-bonded module.")
 -                set_property(CACHE GMX_CUDA_NB_SINGLE_COMPILATION_UNIT PROPERTY VALUE OFF)
 -            endif()
 -        endif()
 -    endif()
  endmacro()
Simple merge
index df23f6fc98e8ac45233ad7a820a193d79e7d9ca2,8a16c554bd3d2d9eca89b347fabf1b666aea682c..fe52692b8f321589a50cc60b52887dae97b80b2a
@@@ -313,14 -125,7 +313,15 @@@ if (SPHINX_FOUND
          fragments/doxygen-links.rst
          install-guide/index.rst
          release-notes/index.rst
 +        release-notes/highlights.rst
 +        release-notes/features.rst
 +        release-notes/performance.rst
 +        release-notes/tools.rst
 +        release-notes/bugs-fixed.rst
 +        release-notes/removed-features.rst
 +        release-notes/portability.rst
 +        release-notes/miscellaneous.rst
+         release-notes/2018/2018.4.rst
          release-notes/2018/2018.3.rst
          release-notes/2018/2018.2.rst
          release-notes/2018/2018.1.rst
Simple merge
Simple merge
Simple merge
index 67590744ddb4f8220b82dbf64a6ae10893dd4817,913c2488de8e6237221461b2fd2bc442ade3d62c..4567f43db8d33e188387d353441862f8664cc355
  #include "gromacs/math/functions.h"
  #include "gromacs/math/vec.h"
  #include "gromacs/math/vectypes.h"
+ #include "gromacs/mdlib/calc_verletbuf.h"
  #include "gromacs/mdlib/constr.h"
 -#include "gromacs/mdlib/force.h"
 +#include "gromacs/mdlib/constraintrange.h"
  #include "gromacs/mdlib/forcerec.h"
 -#include "gromacs/mdlib/genborn.h"
  #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
 +#include "gromacs/mdlib/lincs.h"
  #include "gromacs/mdlib/mdatoms.h"
  #include "gromacs/mdlib/mdrun.h"
  #include "gromacs/mdlib/mdsetup.h"
index e1a2b5aeb964be71b6abdc127c723b911c85ca65,d669a50e5146cfc43c4216163585be36294b468e..a179d6fb4527c453aaf72734c02efcdbb70ed11f
  #include "pme-spline-work.h"
  #include "pme-spread.h"
  
-     if (EI_TPI(ir->eI))
 +/*! \brief Help build a descriptive message in \c error if there are
 + * \c errorReasons why PME on GPU is not supported.
 + *
 + * \returns Whether the lack of errorReasons indicate there is support. */
 +static bool
 +addMessageIfNotSupported(const std::list<std::string> &errorReasons,
 +                         std::string                  *error)
 +{
 +    bool foundErrorReasons = errorReasons.empty();
 +    if (!foundErrorReasons && error)
 +    {
 +        std::string regressionTestMarker = "PME GPU does not support";
 +        // this prefix is tested for in the regression tests script gmxtest.pl
 +        *error = regressionTestMarker + ": " + gmx::joinStrings(errorReasons, "; ") + ".";
 +    }
 +    return foundErrorReasons;
 +}
 +
 +bool pme_gpu_supports_build(std::string *error)
 +{
 +    std::list<std::string> errorReasons;
 +    if (GMX_DOUBLE)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("double precision");
 +    }
 +    if (GMX_GPU != GMX_GPU_CUDA)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("non-CUDA build of GROMACS");
 +    }
 +    return addMessageIfNotSupported(errorReasons, error);
 +}
 +
 +bool pme_gpu_supports_input(const t_inputrec *ir, std::string *error)
 +{
 +    std::list<std::string> errorReasons;
 +    if (!EEL_PME(ir->coulombtype))
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("systems that do not use PME for electrostatics");
 +    }
 +    if (ir->pme_order != 4)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("interpolation orders other than 4");
 +    }
 +    if (ir->efep != efepNO)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("free energy calculations (multiple grids)");
 +    }
 +    if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("Lennard-Jones PME");
 +    }
 +    if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("group cutoff scheme");
 +    }
-         errorReasons.emplace_back("test particle insertion");
++    if (!EI_DYNAMICS(ir->eI))
 +    {
++        errorReasons.emplace_back("not a dynamical integrator");
 +    }
 +    return addMessageIfNotSupported(errorReasons, error);
 +}
 +
 +/*! \brief \libinternal
 + * Finds out if PME with given inputs is possible to run on GPU.
 + * This function is an internal final check, validating the whole PME structure on creation,
 + * but it still duplicates the preliminary checks from the above (externally exposed) pme_gpu_supports_input() - just in case.
 + *
 + * \param[in]  pme          The PME structure.
 + * \param[out] error        The error message if the input is not supported on GPU.
 + * \returns                 True if this PME input is possible to run on GPU, false otherwise.
 + */
 +static bool pme_gpu_check_restrictions(const gmx_pme_t *pme, std::string *error)
 +{
 +    std::list<std::string> errorReasons;
 +    if (pme->nnodes != 1)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("PME decomposition");
 +    }
 +    if (pme->pme_order != 4)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("interpolation orders other than 4");
 +    }
 +    if (pme->bFEP)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("free energy calculations (multiple grids)");
 +    }
 +    if (pme->doLJ)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("Lennard-Jones PME");
 +    }
 +    if (GMX_DOUBLE)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("double precision");
 +    }
 +    if (GMX_GPU != GMX_GPU_CUDA)
 +    {
 +        errorReasons.emplace_back("non-CUDA build of GROMACS");
 +    }
 +
 +    return addMessageIfNotSupported(errorReasons, error);
 +}
 +
 +PmeRunMode pme_run_mode(const gmx_pme_t *pme)
 +{
 +    GMX_ASSERT(pme != nullptr, "Expecting valid PME data pointer");
 +    return pme->runMode;
 +}
 +
 +gmx::PinningPolicy pme_get_pinning_policy()
 +{
 +    // When the OpenCL implementation of HostAllocationPolicy
 +    // implements an form of host-side pinning, amend this logic.
 +    if (GMX_GPU == GMX_GPU_CUDA)
 +    {
 +        return gmx::PinningPolicy::CanBePinned;
 +    }
 +    else
 +    {
 +        return gmx::PinningPolicy::CannotBePinned;
 +    }
 +}
 +
  /*! \brief Number of bytes in a cache line.
   *
   * Must also be a multiple of the SIMD and SIMD4 register size, to
index 36cd7250bed05b056ac8d6a7c4eb8963b013ede6,dc7a094e99cbffc1256935973da4504285ce2aaa..5e4bcb961a0e6c2000f0a48e27712471ec748857
@@@ -101,7 -101,7 +101,7 @@@ void write_sto_conf_indexed(const char 
          case efENT:
          case efPQR:
              out = gmx_fio_fopen(outfile, "w");
-             write_pdbfile_indexed(out, title, atoms, x, ePBC, box, ' ', -1, nindex, index, nullptr, TRUE, TRUE);
 -            write_pdbfile_indexed(out, title, atoms, x, ePBC, box, ' ', -1, nindex, index, nullptr, TRUE, ftp == efPQR ? TRUE : FALSE);
++            write_pdbfile_indexed(out, title, atoms, x, ePBC, box, ' ', -1, nindex, index, nullptr, TRUE, ftp == efPQR);
              gmx_fio_fclose(out);
              break;
          case efESP:
Simple merge
index 9c053248b73f5d9814e6f6c54bb49678fe4fbc78,4556135d889fe30fbd1b1804fb239a443bffab12..37c0eb116217058e3283f36ccb6b7a3fd6aa43d7
@@@ -872,7 -870,8 +872,7 @@@ int gmx_trjconv(int argc, char *argv[]
      real             *w_rls = nullptr;
      int               m, i, d, frame, outframe, natoms, nout, ncent, newstep = 0, model_nr;
  #define SKIP 10
-     t_topology        top;
+     t_topology       *top   = nullptr;
 -    gmx_mtop_t       *mtop  = nullptr;
      gmx_conect        gc    = nullptr;
      int               ePBC  = -1;
      t_atoms          *atoms = nullptr, useatoms;
          }
      }
  
 -    sfree(mtop);
 -    if (top)
 +    if (bTPS)
      {
-         done_top(&top);
+         done_top(top);
+         sfree(top);
      }
      sfree(xp);
      sfree(xmem);
index 298e67b62d8b7b6488645b67bf958e11d0258d0f,1115f4f999677e031905752cfc571dd5e34297f6..13dbf66bee1f6e713e0464c97bf91be3adead1d0
@@@ -2225,7 -2332,7 +2225,7 @@@ int gmx_grompp(int argc, char *argv[]
  
      if (ir->bPull)
      {
-         pull = set_pull_init(ir, &sys, as_rvec_array(state.x.data()), state.box, state.lambda[efptMASS]);
 -        pull = set_pull_init(ir, sys, as_rvec_array(state.x.data()), state.box, state.lambda[efptMASS], oenv, wi);
++        pull = set_pull_init(ir, &sys, as_rvec_array(state.x.data()), state.box, state.lambda[efptMASS], wi);
      }
  
      /* Modules that supply external potential for pull coordinates
index 827ea72950fbfbfa4230d2a73a363faedbca8009,3c4fe4149eb90dd9d0d83081aa8825fcc7cede70..487b0160933b76303e22bdf8628a3de64d8f477c
@@@ -147,7 -147,9 +147,8 @@@ void make_pull_coords(pull_params_t *pu
  /* Process the pull coordinates after reading the pull groups */
  
  pull_t *set_pull_init(t_inputrec *ir, const gmx_mtop_t *mtop,
-                       rvec *x, matrix box, real lambda);
+                       rvec *x, matrix box, real lambda,
 -                      const gmx_output_env_t *oenv,
+                       warninp_t wi);
  /* Prints the initial pull group distances in x.
   * If requested, adds the current distance to the initial reference location.
   * Returns the pull_t pull work struct. This should be passed to finish_pull()
index adcbe93d170d8fb4d12a2f42e175c537202a6bf3,bcd252bedbdbf68a7b348dbf7d1cf03b7b2193b1..a6de96cb8275b7540966a82eabab5b7bde45e6a6
@@@ -496,7 -503,9 +496,8 @@@ void make_pull_coords(pull_params_t *pu
  }
  
  pull_t *set_pull_init(t_inputrec *ir, const gmx_mtop_t *mtop,
-                       rvec *x, matrix box, real lambda)
+                       rvec *x, matrix box, real lambda,
 -                      const gmx_output_env_t *oenv,
+                       warninp_t wi)
  {
      pull_params_t *pull;
      pull_t        *pull_work;
index ceac85da9c5a3bc5ec996b93988c50aed82760e1,e56719cc63bc4bf4f95f5e548ab145edfb435c78..bfe2722db0f8e2181ca8731819c985c7c47f35f1
@@@ -75,12 -75,12 +75,14 @@@ typedef struct 
      int   res0;
  } t_moltypes;
  
--static void sort_molecule(t_atoms **atoms_solvt, std::vector<RVec> *x,
++static void sort_molecule(t_atoms          **atoms_solvt,
++                          t_atoms          **newatoms,
++                          std::vector<RVec> *x,
                            std::vector<RVec> *v)
  {
      int         atnr, i, j, moltp = 0, nrmoltypes, resi_o, resi_n, resnr;
      t_moltypes *moltypes;
--    t_atoms    *atoms, *newatoms;
++    t_atoms    *atoms;
  
      fprintf(stderr, "Sorting configuration\n");
  
          }
  
          /* now put them there: */
--        snew(newatoms, 1);
--        init_t_atoms(newatoms, atoms->nr, FALSE);
--        newatoms->nres = atoms->nres;
--        snew(newatoms->resinfo, atoms->nres);
++        snew(*newatoms, 1);
++        init_t_atoms(*newatoms, atoms->nr, FALSE);
++        (*newatoms)->nres = atoms->nres;
++        srenew((*newatoms)->resinfo, atoms->nres);
          std::vector<RVec> newx(x->size());
          std::vector<RVec> newv(v->size());
  
                  if (strcmp(*atoms->resinfo[resi_o].name, moltypes[moltp].name) == 0)
                  {
                      /* Copy the residue info */
--                    newatoms->resinfo[resi_n]    = atoms->resinfo[resi_o];
--                    newatoms->resinfo[resi_n].nr = resnr;
++                    (*newatoms)->resinfo[resi_n]    = atoms->resinfo[resi_o];
++                    (*newatoms)->resinfo[resi_n].nr = resnr;
                      /* Copy the atom info */
                      do
                      {
--                        newatoms->atom[j]        = atoms->atom[i];
--                        newatoms->atomname[j]    = atoms->atomname[i];
--                        newatoms->atom[j].resind = resi_n;
++                        (*newatoms)->atom[j]        = atoms->atom[i];
++                        (*newatoms)->atomname[j]    = atoms->atomname[i];
++                        (*newatoms)->atom[j].resind = resi_n;
                          copy_rvec((*x)[i], newx[j]);
                          if (!v->empty())
                          {
  
          /* put them back into the original arrays and throw away temporary arrays */
          done_atom(atoms);
--        *atoms_solvt = newatoms;
++        *atoms_solvt = (*newatoms);
          std::swap(*x, newx);
          std::swap(*v, newv);
      }
@@@ -709,7 -710,7 +711,8 @@@ static void add_solv(const char *fn, t_
      }
  
      /* Sort the solvent mixture, not the protein... */
--    sort_molecule(&atoms_solvt, &x_solvt, &v_solvt);
++    t_atoms *newatoms = nullptr;
++    sort_molecule(&atoms_solvt, &newatoms, &x_solvt, &v_solvt);
  
      // Merge the two configurations.
      x->insert(x->end(), x_solvt.begin(), x_solvt.end());
  
      done_top(top_solvt);
      sfree(top_solvt);
++    if (newatoms)
++    {
++        done_atom(newatoms);
++        sfree(newatoms);
++    }
  }
  
- static void update_top(t_atoms *atoms, matrix box, int NFILE, t_filenm fnm[],
+ static void update_top(t_atoms *atoms, int firstSolventResidueIndex, matrix box, int NFILE, t_filenm fnm[],
                         gmx_atomprop_t aps)
  {
-     FILE       *fpin, *fpout;
-     char        buf[STRLEN], buf2[STRLEN], *temp;
-     const char *topinout;
-     int         line;
-     bool        bSystem, bMolecules, bSkip;
-     int         i, nsol = 0;
-     double      mtot;
-     real        vol, mm;
-     for (i = 0; (i < atoms->nres); i++)
-     {
-         /* calculate number of SOLvent molecules */
-         if ( (strcmp(*atoms->resinfo[i].name, "SOL") == 0) ||
-              (strcmp(*atoms->resinfo[i].name, "WAT") == 0) ||
-              (strcmp(*atoms->resinfo[i].name, "HOH") == 0) )
-         {
-             nsol++;
-         }
-     }
+     FILE        *fpin, *fpout;
+     char         buf[STRLEN], buf2[STRLEN], *temp;
+     const char  *topinout;
+     int          line;
 -    gmx_bool     bSystem;
++    bool         bSystem;
+     int          i;
+     double       mtot;
+     real         vol, mm;
 -    int          nsol                     =  atoms->nres - firstSolventResidueIndex;
++    int          nsol = atoms->nres - firstSolventResidueIndex;
 -    mtot                     = 0;
 +    mtot = 0;
      for (i = 0; (i < atoms->nr); i++)
      {
          gmx_atomprop_query(aps, epropMass,
          fpin    = gmx_ffopen(topinout, "r");
          fpout   = gmx_fopen_temporary(temporary_filename);
          line    = 0;
-         bSystem = bMolecules = false;
 -        bSystem = FALSE;
++        bSystem = false;
          while (fgets(buf, STRLEN, fpin))
          {
-             bSkip = false;
              line++;
              strcpy(buf2, buf);
              if ((temp = strchr(buf2, '\n')) != nullptr)
                  if (buf2[0] && (!strstr(buf2, " water")) )
                  {
                      sprintf(buf, "%s in water\n", buf2);
 -                    bSystem = FALSE;
 +                    bSystem = false;
                  }
              }
-             else if (bMolecules)
+             fprintf(fpout, "%s", buf);
+         }
+         gmx_ffclose(fpin);
+         // Add new solvent molecules to the topology
+         if (nsol > 0)
+         {
+             std::string currRes  = *atoms->resinfo[firstSolventResidueIndex].name;
+             int         resCount = 0;
+             // Iterate through solvent molecules and increment a count until new resname found
+             for (int i = firstSolventResidueIndex; i < atoms->nres; i++)
              {
-                 /* check if this is a line with solvent molecules */
-                 sscanf(buf, "%4095s", buf2);
-                 if (strcmp(buf2, "SOL") == 0)
 -                if ((currRes.compare(*atoms->resinfo[i].name) == 0))
++                if ((currRes == *atoms->resinfo[i].name))
                  {
-                     sscanf(buf, "%*4095s %20d", &i);
-                     nsol -= i;
-                     if (nsol < 0)
-                     {
-                         bSkip = true;
-                         nsol += i;
-                     }
+                     resCount += 1;
                  }
-             }
-             if (bSkip)
-             {
-                 if ((temp = strchr(buf, '\n')) != nullptr)
+                 else
                  {
-                     temp[0] = '\0';
+                     // Change topology and restart count
+                     fprintf(stdout, "Adding line for %d solvent molecules with resname (%s) to "
+                             "topology file (%s)\n", resCount, currRes.c_str(), topinout);
+                     fprintf(fpout, "%-15s %5d\n", currRes.c_str(), resCount);
+                     currRes  = *atoms->resinfo[i].name;
+                     resCount = 1;
                  }
-                 fprintf(stdout, "Removing line #%d '%s' from topology file (%s)\n",
-                         line, buf, topinout);
-             }
-             else
-             {
-                 fprintf(fpout, "%s", buf);
              }
-         }
-         gmx_ffclose(fpin);
-         if (nsol)
-         {
-             fprintf(stdout, "Adding line for %d solvent molecules to "
-                     "topology file (%s)\n", nsol, topinout);
-             fprintf(fpout, "%-15s %5d\n", "SOL", nsol);
+             // One more print needed for last residue type
+             fprintf(stdout, "Adding line for %d solvent molecules with resname (%s) to "
+                     "topology file (%s)\n", resCount, currRes.c_str(), topinout);
+             fprintf(fpout, "%-15s %5d\n", currRes.c_str(), resCount);
          }
          gmx_ffclose(fpout);
          make_backup(topinout);
index 6c4c03297442cc8bd0e1fc688bc3adc4897eacb9,cbcc89385d52a40669547b95598840c3dca6d964..8b8e6594593cded197500e4a7449b8013eb2a631
@@@ -125,4 -126,24 +126,24 @@@ TEST_F(SolvateTest, shell_Works
      runTest(CommandLine(cmdline));
  }
  
 -    std::string topFileName           = fileManager().getInputFilePath("simple.top");
+ TEST_F(SolvateTest, update_Topology_Works)
+ {
+     // use solvent box with 2 solvents, check that topology has been updated
+     const char *const cmdline[] = {
+         "solvate"
+     };
+     setInputFile("-cs", "mixed_solvent.gro");
+     setInputFile("-cp", "simple.gro");
+     // TODO: Consider adding a convenience method for this.
+     // Copies topology file to where it would be found as an output file, so the copied
+     // .top file is used as both input and output
++    std::string topFileName           = gmx::test::TestFileManager::getInputFilePath("simple.top");
+     std::string modifiableTopFileName = fileManager().getTemporaryFilePath("simple.top");
+     gmx_file_copy(topFileName.c_str(), modifiableTopFileName.c_str(), true);
+     setOutputFile("-p", "simple.top", ExactTextMatch());
+     runTest(CommandLine(cmdline));
+ }
  } // namespace
Simple merge
index 190448ec4383272edc1c4191bb2ab719ed23ffe3,f54a94fa42dca39c6f4e2683933c4da7df178659..c52a6ec74bf30646a973020a0cf59c60c01d8ce3
@@@ -176,9 -176,14 +176,14 @@@ selectCompilerOptions(ocl_vendor_id_t d
      }
  
      /* Fastmath imprves performance on all supported arch */
 -    if (getenv("GMX_OCL_DISABLE_FASTMATH") == NULL)
 +    if (getenv("GMX_OCL_DISABLE_FASTMATH") == nullptr)
      {
          compilerOptions += " -cl-fast-relaxed-math";
+         // Hint to the compiler that it can flush denorms to zero.
+         // In CUDA this is triggered by the -use_fast_math flag, equivalent with
+         // -cl-fast-relaxed-math, hence the inclusion on the conditional block.
+         compilerOptions += " -cl-denorms-are-zero";
      }
  
      if ((deviceVendorId == OCL_VENDOR_NVIDIA) && getenv("GMX_OCL_VERBOSE"))
index 47fc1c9580c15a04b2dc6db6f1c82f5afdd8a5c4,c1a6fcdcce9202be31a91b5056841bb4adbf7cb8..f0a48401fc798d746bae2b7a19b8916f42663746
@@@ -409,8 -431,9 +429,9 @@@ static void get_verlet_buffer_atomtypes
              prop[a3].con_len  = ip->settle.doh;
          }
  
 -        get_vsite_masses(&mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type],
 +        get_vsite_masses(&moltype,
                           &mtop->ffparams,
+                          setMassesToOne,
                           vsite_m,
                           &n_nonlin_vsite_mol);
          if (n_nonlin_vsite != nullptr)
@@@ -893,8 -985,12 +982,12 @@@ void calc_verlet_buffer_size(const gmx_
      /* Worst case assumption: HCP packing of particles gives largest distance */
      particle_distance = std::cbrt(boxvol*std::sqrt(2)/mtop->natoms);
  
-     get_verlet_buffer_atomtypes(mtop, &att, &natt, n_nonlin_vsite);
+     /* TODO: Obtain masses through (future) integrator functionality
+      *       to avoid scattering the code with (or forgetting) checks.
+      */
+     const bool setMassesToOne = (ir->eI == eiBD && ir->bd_fric > 0);
+     get_verlet_buffer_atomtypes(mtop, setMassesToOne, &att, &natt, n_nonlin_vsite);
 -    assert(att != NULL && natt >= 0);
 +    assert(att != nullptr && natt >= 0);
  
      if (debug)
      {
      /* Search using bisection */
      ib0 = -1;
      /* The drift will be neglible at 5 times the max sigma */
-     ib1 = static_cast<int>(5*2*std::sqrt(kT_fac/mass_min)/resolution) + 1;
 -    ib1 = (int)(5*maxSigma(kT_fac, natt, att)/resolution) + 1;
++    ib1 = static_cast<int>(5*maxSigma(kT_fac, natt, att)/resolution) + 1;
      while (ib1 - ib0 > 1)
      {
          ib = (ib0 + ib1)/2;
  
      *rlist = std::max(ir->rvdw, ir->rcoulomb) + ib1*resolution;
  }
 -    int  ib1      = (int)(10*maxSigma(kT_fac, natt, att)/resolution) + 1;
+ /* Returns the pairlist buffer size for use as a minimum buffer size
+  *
+  * Note that this is a rather crude estimate. It is ok for a buffer
+  * set for good energy conservation or RF electrostatics. But it is
+  * too small with PME and the buffer set with the default tolerance.
+  */
+ static real minCellSizeFromPairlistBuffer(const t_inputrec &ir)
+ {
+     return ir.rlist - std::max(ir.rvdw, ir.rcoulomb);
+ }
+ real minCellSizeForAtomDisplacement(const gmx_mtop_t &mtop,
+                                     const t_inputrec &ir,
+                                     real              chanceRequested)
+ {
+     if (!EI_DYNAMICS(ir.eI) || (EI_MD(ir.eI) && ir.etc == etcNO))
+     {
+         return minCellSizeFromPairlistBuffer(ir);
+     }
+     /* We use the maximum temperature with multiple T-coupl groups.
+      * We could use a per particle temperature, but since particles
+      * interact, this might underestimate the displacements.
+      */
+     const real            temperature = maxReferenceTemperature(ir);
+     const bool            setMassesToOne = (ir.eI == eiBD && ir.bd_fric > 0);
+     verletbuf_atomtype_t *att  = nullptr;
+     int                   natt = -1;
+     get_verlet_buffer_atomtypes(&mtop, setMassesToOne, &att, &natt, nullptr);
+     const real kT_fac = displacementVariance(ir, temperature,
+                                              ir.nstlist*ir.delta_t);
+     /* Resolution of the cell size */
+     real resolution = 0.001;
+     /* Search using bisection, avoid 0 and start at 1 */
+     int  ib0      = 0;
+     /* The chance will be neglible at 10 times the max sigma */
++    int  ib1      = int(10*maxSigma(kT_fac, natt, att)/resolution) + 1;
+     real cellSize = 0;
+     while (ib1 - ib0 > 1)
+     {
+         int ib = (ib0 + ib1)/2;
+         cellSize = ib*resolution;
+         /* We assumes atom are distributed uniformly over the cell width.
+          * Once an atom has moved by more than the cellSize (as passed
+          * as the buffer argument to energyDriftAtomPair() below),
+          * the chance of crossing the boundary of the neighbor cell
+          * thus increases as 1/cellSize with the additional displacement
+          * on to of cellSize. We thus create a linear interaction with
+          * derivative = -1/cellSize. Using this in the energyDriftAtomPair
+          * function will return the chance of crossing the next boundary.
+          */
+         const pot_derivatives_t boundaryInteraction = { 1/cellSize, 0, 0 };
+         real                    chance = 0;
+         for (int i = 0; i < natt; i++)
+         {
+             const atom_nonbonded_kinetic_prop_t &propAtom = att[i].prop;
+             real s2_2d;
+             real s2_3d;
+             get_atom_sigma2(kT_fac, &propAtom, &s2_2d, &s2_3d);
+             real chancePerAtom = energyDriftAtomPair(propAtom.bConstr, false,
+                                                      s2_2d + s2_3d, s2_2d, 0,
+                                                      cellSize,
+                                                      &boundaryInteraction);
+             if (propAtom.bConstr)
+             {
+                 /* energyDriftAtomPair() uses an unlimited Gaussian displacement
+                  * distribution for constrained atoms, whereas they can
+                  * actually not move more than the COM of the two constrained
+                  * atoms plus twice the distance from the COM.
+                  * Use this maximum, limited displacement when this results in
+                  * a smaller chance (note that this is still an overestimate).
+                  */
+                 real massFraction = propAtom.con_mass/(propAtom.mass + propAtom.con_mass);
+                 real comDistance  = propAtom.con_len*massFraction;
+                 real chanceWithMaxDistance =
+                     energyDriftAtomPair(false, false,
+                                         s2_3d, 0, 0,
+                                         cellSize - 2*comDistance,
+                                         &boundaryInteraction);
+                 chancePerAtom = std::min(chancePerAtom, chanceWithMaxDistance);
+             }
+             /* Take into account the line density of the boundary */
+             chancePerAtom /= cellSize;
+             chance        += att[i].n*chancePerAtom;
+         }
+         /* Note: chance is for every nstlist steps */
+         if (chance > chanceRequested*ir.nstlist)
+         {
+             ib0 = ib;
+         }
+         else
+         {
+             ib1 = ib;
+         }
+     }
+     sfree(att);
+     return cellSize;
+ }
Simple merge
Simple merge
index 17f77cf0f078ca154934174229c275a99477877d,0000000000000000000000000000000000000000..8019ffa10bc3f0676e04ec750ee5d2dcc87e1315
mode 100644,000000..100644
--- /dev/null
@@@ -1,2930 -1,0 +1,2955 @@@
-     if (confout != nullptr && MASTER(cr))
 +/*
 + * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
 + *
 + * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
 + * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
 + * Copyright (c) 2013,2014,2015,2016,2017,2018, 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.
 + *
 + * 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.
 + *
 + * 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.
 + *
 + * 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 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 research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
 + */
 +/*! \internal \file
 + *
 + * \brief This file defines integrators for energy minimization
 + *
 + * \author Berk Hess <hess@kth.se>
 + * \author Erik Lindahl <erik@kth.se>
 + * \ingroup module_mdrun
 + */
 +#include "gmxpre.h"
 +
 +#include "config.h"
 +
 +#include <cmath>
 +#include <cstring>
 +#include <ctime>
 +
 +#include <algorithm>
 +#include <vector>
 +
 +#include "gromacs/commandline/filenm.h"
++#include "gromacs/domdec/collect.h"
 +#include "gromacs/domdec/domdec.h"
 +#include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
 +#include "gromacs/ewald/pme.h"
 +#include "gromacs/fileio/confio.h"
 +#include "gromacs/fileio/mtxio.h"
 +#include "gromacs/gmxlib/network.h"
 +#include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
 +#include "gromacs/imd/imd.h"
 +#include "gromacs/linearalgebra/sparsematrix.h"
 +#include "gromacs/listed-forces/manage-threading.h"
 +#include "gromacs/math/functions.h"
 +#include "gromacs/math/vec.h"
 +#include "gromacs/mdlib/constr.h"
 +#include "gromacs/mdlib/force.h"
 +#include "gromacs/mdlib/forcerec.h"
 +#include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
 +#include "gromacs/mdlib/md_support.h"
 +#include "gromacs/mdlib/mdatoms.h"
 +#include "gromacs/mdlib/mdebin.h"
 +#include "gromacs/mdlib/mdrun.h"
 +#include "gromacs/mdlib/mdsetup.h"
 +#include "gromacs/mdlib/ns.h"
 +#include "gromacs/mdlib/shellfc.h"
 +#include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
 +#include "gromacs/mdlib/tgroup.h"
 +#include "gromacs/mdlib/trajectory_writing.h"
 +#include "gromacs/mdlib/update.h"
 +#include "gromacs/mdlib/vsite.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/state.h"
 +#include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
 +#include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
 +#include "gromacs/timing/wallcycle.h"
 +#include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
 +#include "gromacs/topology/mtop_util.h"
 +#include "gromacs/topology/topology.h"
 +#include "gromacs/utility/cstringutil.h"
 +#include "gromacs/utility/exceptions.h"
 +#include "gromacs/utility/fatalerror.h"
 +#include "gromacs/utility/logger.h"
 +#include "gromacs/utility/smalloc.h"
 +
 +#include "integrator.h"
 +
 +//! Utility structure for manipulating states during EM
 +typedef struct {
 +    //! Copy of the global state
 +    t_state          s;
 +    //! Force array
 +    PaddedRVecVector f;
 +    //! Potential energy
 +    real             epot;
 +    //! Norm of the force
 +    real             fnorm;
 +    //! Maximum force
 +    real             fmax;
 +    //! Direction
 +    int              a_fmax;
 +} em_state_t;
 +
 +//! Print the EM starting conditions
 +static void print_em_start(FILE                     *fplog,
 +                           const t_commrec          *cr,
 +                           gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting,
 +                           gmx_wallcycle_t           wcycle,
 +                           const char               *name)
 +{
 +    walltime_accounting_start_time(walltime_accounting);
 +    wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 +    print_start(fplog, cr, walltime_accounting, name);
 +}
 +
 +//! Stop counting time for EM
 +static void em_time_end(gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting,
 +                        gmx_wallcycle_t           wcycle)
 +{
 +    wallcycle_stop(wcycle, ewcRUN);
 +
 +    walltime_accounting_end_time(walltime_accounting);
 +}
 +
 +//! Printing a log file and console header
 +static void sp_header(FILE *out, const char *minimizer, real ftol, int nsteps)
 +{
 +    fprintf(out, "\n");
 +    fprintf(out, "%s:\n", minimizer);
 +    fprintf(out, "   Tolerance (Fmax)   = %12.5e\n", ftol);
 +    fprintf(out, "   Number of steps    = %12d\n", nsteps);
 +}
 +
 +//! Print warning message
 +static void warn_step(FILE     *fp,
 +                      real      ftol,
 +                      real      fmax,
 +                      gmx_bool  bLastStep,
 +                      gmx_bool  bConstrain)
 +{
 +    constexpr bool realIsDouble = GMX_DOUBLE;
 +    char           buffer[2048];
 +
 +    if (!std::isfinite(fmax))
 +    {
 +        sprintf(buffer,
 +                "\nEnergy minimization has stopped because the force "
 +                "on at least one atom is not finite. This usually means "
 +                "atoms are overlapping. Modify the input coordinates to "
 +                "remove atom overlap or use soft-core potentials with "
 +                "the free energy code to avoid infinite forces.\n%s",
 +                !realIsDouble ?
 +                "You could also be lucky that switching to double precision "
 +                "is sufficient to obtain finite forces.\n" :
 +                "");
 +    }
 +    else if (bLastStep)
 +    {
 +        sprintf(buffer,
 +                "\nEnergy minimization reached the maximum number "
 +                "of steps before the forces reached the requested "
 +                "precision Fmax < %g.\n", ftol);
 +    }
 +    else
 +    {
 +        sprintf(buffer,
 +                "\nEnergy minimization has stopped, but the forces have "
 +                "not converged to the requested precision Fmax < %g (which "
 +                "may not be possible for your system). It stopped "
 +                "because the algorithm tried to make a new step whose size "
 +                "was too small, or there was no change in the energy since "
 +                "last step. Either way, we regard the minimization as "
 +                "converged to within the available machine precision, "
 +                "given your starting configuration and EM parameters.\n%s%s",
 +                ftol,
 +                !realIsDouble ?
 +                "\nDouble precision normally gives you higher accuracy, but "
 +                "this is often not needed for preparing to run molecular "
 +                "dynamics.\n" :
 +                "",
 +                bConstrain ?
 +                "You might need to increase your constraint accuracy, or turn\n"
 +                "off constraints altogether (set constraints = none in mdp file)\n" :
 +                "");
 +    }
 +
 +    fputs(wrap_lines(buffer, 78, 0, FALSE), stderr);
 +    fputs(wrap_lines(buffer, 78, 0, FALSE), fp);
 +}
 +
 +//! Print message about convergence of the EM
 +static void print_converged(FILE *fp, const char *alg, real ftol,
 +                            int64_t count, gmx_bool bDone, int64_t nsteps,
 +                            const em_state_t *ems, double sqrtNumAtoms)
 +{
 +    char buf[STEPSTRSIZE];
 +
 +    if (bDone)
 +    {
 +        fprintf(fp, "\n%s converged to Fmax < %g in %s steps\n",
 +                alg, ftol, gmx_step_str(count, buf));
 +    }
 +    else if (count < nsteps)
 +    {
 +        fprintf(fp, "\n%s converged to machine precision in %s steps,\n"
 +                "but did not reach the requested Fmax < %g.\n",
 +                alg, gmx_step_str(count, buf), ftol);
 +    }
 +    else
 +    {
 +        fprintf(fp, "\n%s did not converge to Fmax < %g in %s steps.\n",
 +                alg, ftol, gmx_step_str(count, buf));
 +    }
 +
 +#if GMX_DOUBLE
 +    fprintf(fp, "Potential Energy  = %21.14e\n", ems->epot);
 +    fprintf(fp, "Maximum force     = %21.14e on atom %d\n", ems->fmax, ems->a_fmax + 1);
 +    fprintf(fp, "Norm of force     = %21.14e\n", ems->fnorm/sqrtNumAtoms);
 +#else
 +    fprintf(fp, "Potential Energy  = %14.7e\n", ems->epot);
 +    fprintf(fp, "Maximum force     = %14.7e on atom %d\n", ems->fmax, ems->a_fmax + 1);
 +    fprintf(fp, "Norm of force     = %14.7e\n", ems->fnorm/sqrtNumAtoms);
 +#endif
 +}
 +
 +//! Compute the norm and max of the force array in parallel
 +static void get_f_norm_max(const t_commrec *cr,
 +                           t_grpopts *opts, t_mdatoms *mdatoms, const rvec *f,
 +                           real *fnorm, real *fmax, int *a_fmax)
 +{
 +    double fnorm2, *sum;
 +    real   fmax2, fam;
 +    int    la_max, a_max, start, end, i, m, gf;
 +
 +    /* This routine finds the largest force and returns it.
 +     * On parallel machines the global max is taken.
 +     */
 +    fnorm2 = 0;
 +    fmax2  = 0;
 +    la_max = -1;
 +    start  = 0;
 +    end    = mdatoms->homenr;
 +    if (mdatoms->cFREEZE)
 +    {
 +        for (i = start; i < end; i++)
 +        {
 +            gf  = mdatoms->cFREEZE[i];
 +            fam = 0;
 +            for (m = 0; m < DIM; m++)
 +            {
 +                if (!opts->nFreeze[gf][m])
 +                {
 +                    fam += gmx::square(f[i][m]);
 +                }
 +            }
 +            fnorm2 += fam;
 +            if (fam > fmax2)
 +            {
 +                fmax2  = fam;
 +                la_max = i;
 +            }
 +        }
 +    }
 +    else
 +    {
 +        for (i = start; i < end; i++)
 +        {
 +            fam     = norm2(f[i]);
 +            fnorm2 += fam;
 +            if (fam > fmax2)
 +            {
 +                fmax2  = fam;
 +                la_max = i;
 +            }
 +        }
 +    }
 +
 +    if (la_max >= 0 && DOMAINDECOMP(cr))
 +    {
 +        a_max = cr->dd->globalAtomIndices[la_max];
 +    }
 +    else
 +    {
 +        a_max = la_max;
 +    }
 +    if (PAR(cr))
 +    {
 +        snew(sum, 2*cr->nnodes+1);
 +        sum[2*cr->nodeid]   = fmax2;
 +        sum[2*cr->nodeid+1] = a_max;
 +        sum[2*cr->nnodes]   = fnorm2;
 +        gmx_sumd(2*cr->nnodes+1, sum, cr);
 +        fnorm2 = sum[2*cr->nnodes];
 +        /* Determine the global maximum */
 +        for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
 +        {
 +            if (sum[2*i] > fmax2)
 +            {
 +                fmax2 = sum[2*i];
 +                a_max = static_cast<int>(sum[2*i+1] + 0.5);
 +            }
 +        }
 +        sfree(sum);
 +    }
 +
 +    if (fnorm)
 +    {
 +        *fnorm = sqrt(fnorm2);
 +    }
 +    if (fmax)
 +    {
 +        *fmax  = sqrt(fmax2);
 +    }
 +    if (a_fmax)
 +    {
 +        *a_fmax = a_max;
 +    }
 +}
 +
 +//! Compute the norm of the force
 +static void get_state_f_norm_max(const t_commrec *cr,
 +                                 t_grpopts *opts, t_mdatoms *mdatoms,
 +                                 em_state_t *ems)
 +{
 +    get_f_norm_max(cr, opts, mdatoms, as_rvec_array(ems->f.data()),
 +                   &ems->fnorm, &ems->fmax, &ems->a_fmax);
 +}
 +
 +//! Initialize the energy minimization
 +static void init_em(FILE *fplog, const char *title,
 +                    const t_commrec *cr,
 +                    const gmx_multisim_t *ms,
 +                    gmx::IMDOutputProvider *outputProvider,
 +                    t_inputrec *ir,
 +                    const MdrunOptions &mdrunOptions,
 +                    t_state *state_global, gmx_mtop_t *top_global,
 +                    em_state_t *ems, gmx_localtop_t **top,
 +                    t_nrnb *nrnb, rvec mu_tot,
 +                    t_forcerec *fr, gmx_enerdata_t **enerd,
 +                    t_graph **graph, gmx::MDAtoms *mdAtoms, gmx_global_stat_t *gstat,
 +                    gmx_vsite_t *vsite, gmx::Constraints *constr, gmx_shellfc_t **shellfc,
 +                    int nfile, const t_filenm fnm[],
 +                    gmx_mdoutf_t *outf, t_mdebin **mdebin,
 +                    gmx_wallcycle_t wcycle)
 +{
 +    real dvdl_constr;
 +
 +    if (fplog)
 +    {
 +        fprintf(fplog, "Initiating %s\n", title);
 +    }
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        state_global->ngtc = 0;
 +
 +        /* Initialize lambda variables */
 +        initialize_lambdas(fplog, ir, &(state_global->fep_state), state_global->lambda, nullptr);
 +    }
 +
 +    init_nrnb(nrnb);
 +
 +    /* Interactive molecular dynamics */
 +    init_IMD(ir, cr, ms, top_global, fplog, 1,
 +             MASTER(cr) ? as_rvec_array(state_global->x.data()) : nullptr,
 +             nfile, fnm, nullptr, mdrunOptions);
 +
 +    if (ir->eI == eiNM)
 +    {
 +        GMX_ASSERT(shellfc != nullptr, "With NM we always support shells");
 +
 +        *shellfc = init_shell_flexcon(stdout,
 +                                      top_global,
 +                                      constr ? constr->numFlexibleConstraints() : 0,
 +                                      ir->nstcalcenergy,
 +                                      DOMAINDECOMP(cr));
 +    }
 +    else
 +    {
 +        GMX_ASSERT(EI_ENERGY_MINIMIZATION(ir->eI), "This else currently only handles energy minimizers, consider if your algorithm needs shell/flexible-constraint support");
 +
 +        /* With energy minimization, shells and flexible constraints are
 +         * automatically minimized when treated like normal DOFS.
 +         */
 +        if (shellfc != nullptr)
 +        {
 +            *shellfc = nullptr;
 +        }
 +    }
 +
 +    auto mdatoms = mdAtoms->mdatoms();
 +    if (DOMAINDECOMP(cr))
 +    {
 +        *top = dd_init_local_top(top_global);
 +
 +        dd_init_local_state(cr->dd, state_global, &ems->s);
 +
 +        /* Distribute the charge groups over the nodes from the master node */
 +        dd_partition_system(fplog, ir->init_step, cr, TRUE, 1,
 +                            state_global, top_global, ir,
 +                            &ems->s, &ems->f, mdAtoms, *top,
 +                            fr, vsite, constr,
 +                            nrnb, nullptr, FALSE);
 +        dd_store_state(cr->dd, &ems->s);
 +
 +        *graph = nullptr;
 +    }
 +    else
 +    {
 +        state_change_natoms(state_global, state_global->natoms);
 +        /* Just copy the state */
 +        ems->s = *state_global;
 +        state_change_natoms(&ems->s, ems->s.natoms);
 +        /* We need to allocate one element extra, since we might use
 +         * (unaligned) 4-wide SIMD loads to access rvec entries.
 +         */
 +        ems->f.resize(gmx::paddedRVecVectorSize(ems->s.natoms));
 +
 +        snew(*top, 1);
 +        mdAlgorithmsSetupAtomData(cr, ir, top_global, *top, fr,
 +                                  graph, mdAtoms,
 +                                  constr, vsite, shellfc ? *shellfc : nullptr);
 +
 +        if (vsite)
 +        {
 +            set_vsite_top(vsite, *top, mdatoms);
 +        }
 +    }
 +
 +    update_mdatoms(mdAtoms->mdatoms(), ems->s.lambda[efptMASS]);
 +
 +    if (constr)
 +    {
 +        // TODO how should this cross-module support dependency be managed?
 +        if (ir->eConstrAlg == econtSHAKE &&
 +            gmx_mtop_ftype_count(top_global, F_CONSTR) > 0)
 +        {
 +            gmx_fatal(FARGS, "Can not do energy minimization with %s, use %s\n",
 +                      econstr_names[econtSHAKE], econstr_names[econtLINCS]);
 +        }
 +
 +        if (!ir->bContinuation)
 +        {
 +            /* Constrain the starting coordinates */
 +            dvdl_constr = 0;
 +            constr->apply(TRUE, TRUE,
 +                          -1, 0, 1.0,
 +                          as_rvec_array(ems->s.x.data()),
 +                          as_rvec_array(ems->s.x.data()),
 +                          nullptr,
 +                          ems->s.box,
 +                          ems->s.lambda[efptFEP], &dvdl_constr,
 +                          nullptr, nullptr, gmx::ConstraintVariable::Positions);
 +        }
 +    }
 +
 +    if (PAR(cr))
 +    {
 +        *gstat = global_stat_init(ir);
 +    }
 +    else
 +    {
 +        *gstat = nullptr;
 +    }
 +
 +    *outf = init_mdoutf(fplog, nfile, fnm, mdrunOptions, cr, outputProvider, ir, top_global, nullptr, wcycle);
 +
 +    snew(*enerd, 1);
 +    init_enerdata(top_global->groups.grps[egcENER].nr, ir->fepvals->n_lambda,
 +                  *enerd);
 +
 +    if (mdebin != nullptr)
 +    {
 +        /* Init bin for energy stuff */
 +        *mdebin = init_mdebin(mdoutf_get_fp_ene(*outf), top_global, ir, nullptr);
 +    }
 +
 +    clear_rvec(mu_tot);
 +    calc_shifts(ems->s.box, fr->shift_vec);
 +}
 +
 +//! Finalize the minimization
 +static void finish_em(const t_commrec *cr, gmx_mdoutf_t outf,
 +                      gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting,
 +                      gmx_wallcycle_t wcycle)
 +{
 +    if (!thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME))
 +    {
 +        /* Tell the PME only node to finish */
 +        gmx_pme_send_finish(cr);
 +    }
 +
 +    done_mdoutf(outf);
 +
 +    em_time_end(walltime_accounting, wcycle);
 +}
 +
 +//! Swap two different EM states during minimization
 +static void swap_em_state(em_state_t **ems1, em_state_t **ems2)
 +{
 +    em_state_t *tmp;
 +
 +    tmp   = *ems1;
 +    *ems1 = *ems2;
 +    *ems2 = tmp;
 +}
 +
 +//! Save the EM trajectory
 +static void write_em_traj(FILE *fplog, const t_commrec *cr,
 +                          gmx_mdoutf_t outf,
 +                          gmx_bool bX, gmx_bool bF, const char *confout,
 +                          gmx_mtop_t *top_global,
 +                          t_inputrec *ir, int64_t step,
 +                          em_state_t *state,
 +                          t_state *state_global,
 +                          ObservablesHistory *observablesHistory)
 +{
 +    int mdof_flags = 0;
 +
 +    if (bX)
 +    {
 +        mdof_flags |= MDOF_X;
 +    }
 +    if (bF)
 +    {
 +        mdof_flags |= MDOF_F;
 +    }
 +
 +    /* If we want IMD output, set appropriate MDOF flag */
 +    if (ir->bIMD)
 +    {
 +        mdof_flags |= MDOF_IMD;
 +    }
 +
 +    mdoutf_write_to_trajectory_files(fplog, cr, outf, mdof_flags,
 +                                     top_global, step, static_cast<double>(step),
 +                                     &state->s, state_global, observablesHistory,
 +                                     state->f);
 +
-         GMX_RELEASE_ASSERT(bX, "The code below assumes that (with domain decomposition), x is collected to state_global in the call above.");
-         /* With domain decomposition the call above collected the state->s.x
-          * into state_global->x. Without DD we copy the local state pointer.
-          */
-         if (!DOMAINDECOMP(cr))
++    if (confout != nullptr)
 +    {
-         if (ir->ePBC != epbcNONE && !ir->bPeriodicMols && DOMAINDECOMP(cr))
++        if (DOMAINDECOMP(cr))
 +        {
++            /* If bX=true, x was collected to state_global in the call above */
++            if (!bX)
++            {
++                gmx::ArrayRef<gmx::RVec> globalXRef = MASTER(cr) ? gmx::makeArrayRef(state_global->x) : gmx::EmptyArrayRef();
++                dd_collect_vec(cr->dd, &state->s, state->s.x, globalXRef);
++            }
++        }
++        else
++        {
++            /* Copy the local state pointer */
 +            state_global = &state->s;
 +        }
 +
-             /* Make molecules whole only for confout writing */
-             do_pbc_mtop(fplog, ir->ePBC, state->s.box, top_global,
-                         as_rvec_array(state_global->x.data()));
-         }
++        if (MASTER(cr))
 +        {
-         write_sto_conf_mtop(confout,
-                             *top_global->name, top_global,
-                             as_rvec_array(state_global->x.data()), nullptr, ir->ePBC, state->s.box);
++            if (ir->ePBC != epbcNONE && !ir->bPeriodicMols && DOMAINDECOMP(cr))
++            {
++                /* Make molecules whole only for confout writing */
++                do_pbc_mtop(fplog, ir->ePBC, state->s.box, top_global,
++                            as_rvec_array(state_global->x.data()));
++            }
 +
-     // Ensure the extra per-atom state array gets allocated
-     state_global->flags |= (1<<estCGP);
++            write_sto_conf_mtop(confout,
++                                *top_global->name, top_global,
++                                as_rvec_array(state_global->x.data()), nullptr, ir->ePBC, state->s.box);
++        }
 +    }
 +}
 +
 +//! \brief Do one minimization step
 +//
 +// \returns true when the step succeeded, false when a constraint error occurred
 +static bool do_em_step(const t_commrec *cr,
 +                       t_inputrec *ir, t_mdatoms *md,
 +                       em_state_t *ems1, real a, const PaddedRVecVector *force,
 +                       em_state_t *ems2,
 +                       gmx::Constraints *constr,
 +                       int64_t count)
 +
 +{
 +    t_state *s1, *s2;
 +    int      start, end;
 +    real     dvdl_constr;
 +    int      nthreads gmx_unused;
 +
 +    bool     validStep = true;
 +
 +    s1 = &ems1->s;
 +    s2 = &ems2->s;
 +
 +    if (DOMAINDECOMP(cr) && s1->ddp_count != cr->dd->ddp_count)
 +    {
 +        gmx_incons("state mismatch in do_em_step");
 +    }
 +
 +    s2->flags = s1->flags;
 +
 +    if (s2->natoms != s1->natoms)
 +    {
 +        state_change_natoms(s2, s1->natoms);
 +        /* We need to allocate one element extra, since we might use
 +         * (unaligned) 4-wide SIMD loads to access rvec entries.
 +         */
 +        ems2->f.resize(gmx::paddedRVecVectorSize(s2->natoms));
 +    }
 +    if (DOMAINDECOMP(cr) && s2->cg_gl.size() != s1->cg_gl.size())
 +    {
 +        s2->cg_gl.resize(s1->cg_gl.size());
 +    }
 +
 +    copy_mat(s1->box, s2->box);
 +    /* Copy free energy state */
 +    s2->lambda = s1->lambda;
 +    copy_mat(s1->box, s2->box);
 +
 +    start = 0;
 +    end   = md->homenr;
 +
 +    nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
 +#pragma omp parallel num_threads(nthreads)
 +    {
 +        const rvec *x1 = as_rvec_array(s1->x.data());
 +        rvec       *x2 = as_rvec_array(s2->x.data());
 +        const rvec *f  = as_rvec_array(force->data());
 +
 +        int         gf = 0;
 +#pragma omp for schedule(static) nowait
 +        for (int i = start; i < end; i++)
 +        {
 +            try
 +            {
 +                if (md->cFREEZE)
 +                {
 +                    gf = md->cFREEZE[i];
 +                }
 +                for (int m = 0; m < DIM; m++)
 +                {
 +                    if (ir->opts.nFreeze[gf][m])
 +                    {
 +                        x2[i][m] = x1[i][m];
 +                    }
 +                    else
 +                    {
 +                        x2[i][m] = x1[i][m] + a*f[i][m];
 +                    }
 +                }
 +            }
 +            GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
 +        }
 +
 +        if (s2->flags & (1<<estCGP))
 +        {
 +            /* Copy the CG p vector */
 +            const rvec *p1 = as_rvec_array(s1->cg_p.data());
 +            rvec       *p2 = as_rvec_array(s2->cg_p.data());
 +#pragma omp for schedule(static) nowait
 +            for (int i = start; i < end; i++)
 +            {
 +                // Trivial OpenMP block that does not throw
 +                copy_rvec(p1[i], p2[i]);
 +            }
 +        }
 +
 +        if (DOMAINDECOMP(cr))
 +        {
 +            s2->ddp_count = s1->ddp_count;
 +
 +            /* OpenMP does not supported unsigned loop variables */
 +#pragma omp for schedule(static) nowait
 +            for (int i = 0; i < static_cast<int>(s2->cg_gl.size()); i++)
 +            {
 +                s2->cg_gl[i] = s1->cg_gl[i];
 +            }
 +            s2->ddp_count_cg_gl = s1->ddp_count_cg_gl;
 +        }
 +    }
 +
 +    if (constr)
 +    {
 +        dvdl_constr = 0;
 +        validStep   =
 +            constr->apply(TRUE, TRUE,
 +                          count, 0, 1.0,
 +                          as_rvec_array(s1->x.data()), as_rvec_array(s2->x.data()),
 +                          nullptr, s2->box,
 +                          s2->lambda[efptBONDED], &dvdl_constr,
 +                          nullptr, nullptr, gmx::ConstraintVariable::Positions);
 +
 +        if (cr->nnodes > 1)
 +        {
 +            /* This global reduction will affect performance at high
 +             * parallelization, but we can not really avoid it.
 +             * But usually EM is not run at high parallelization.
 +             */
 +            int reductionBuffer = static_cast<int>(!validStep);
 +            gmx_sumi(1, &reductionBuffer, cr);
 +            validStep           = (reductionBuffer == 0);
 +        }
 +
 +        // We should move this check to the different minimizers
 +        if (!validStep && ir->eI != eiSteep)
 +        {
 +            gmx_fatal(FARGS, "The coordinates could not be constrained. Minimizer '%s' can not handle constraint failures, use minimizer '%s' before using '%s'.",
 +                      EI(ir->eI), EI(eiSteep), EI(ir->eI));
 +        }
 +    }
 +
 +    return validStep;
 +}
 +
 +//! Prepare EM for using domain decomposition parallellization
 +static void em_dd_partition_system(FILE *fplog, int step, const t_commrec *cr,
 +                                   gmx_mtop_t *top_global, t_inputrec *ir,
 +                                   em_state_t *ems, gmx_localtop_t *top,
 +                                   gmx::MDAtoms *mdAtoms, t_forcerec *fr,
 +                                   gmx_vsite_t *vsite, gmx::Constraints *constr,
 +                                   t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle)
 +{
 +    /* Repartition the domain decomposition */
 +    dd_partition_system(fplog, step, cr, FALSE, 1,
 +                        nullptr, top_global, ir,
 +                        &ems->s, &ems->f,
 +                        mdAtoms, top, fr, vsite, constr,
 +                        nrnb, wcycle, FALSE);
 +    dd_store_state(cr->dd, &ems->s);
 +}
 +
 +namespace
 +{
 +
 +/*! \brief Class to handle the work of setting and doing an energy evaluation.
 + *
 + * This class is a mere aggregate of parameters to pass to evaluate an
 + * energy, so that future changes to names and types of them consume
 + * less time when refactoring other code.
 + *
 + * Aggregate initialization is used, for which the chief risk is that
 + * if a member is added at the end and not all initializer lists are
 + * updated, then the member will be value initialized, which will
 + * typically mean initialization to zero.
 + *
 + * We only want to construct one of these with an initializer list, so
 + * we explicitly delete the default constructor. */
 +class EnergyEvaluator
 +{
 +    public:
 +        //! We only intend to construct such objects with an initializer list.
 +#if __GNUC__ > 4 || (__GNUC__ == 4 && __GNUC_MINOR__ >= 9)
 +        // Aspects of the C++11 spec changed after GCC 4.8.5, and
 +        // compilation of the initializer list construction in
 +        // runner.cpp fails in GCC 4.8.5.
 +        EnergyEvaluator() = delete;
 +#endif
 +        /*! \brief Evaluates an energy on the state in \c ems.
 +         *
 +         * \todo In practice, the same objects mu_tot, vir, and pres
 +         * are always passed to this function, so we would rather have
 +         * them as data members. However, their C-array types are
 +         * unsuited for aggregate initialization. When the types
 +         * improve, the call signature of this method can be reduced.
 +         */
 +        void run(em_state_t *ems, rvec mu_tot,
 +                 tensor vir, tensor pres,
 +                 int64_t count, gmx_bool bFirst);
 +        //! Handles logging.
 +        FILE                 *fplog;
 +        //! Handles communication.
 +        const t_commrec      *cr;
 +        //! Coordinates multi-simulations.
 +        const gmx_multisim_t *ms;
 +        //! Holds the simulation topology.
 +        gmx_mtop_t           *top_global;
 +        //! Holds the domain topology.
 +        gmx_localtop_t       *top;
 +        //! User input options.
 +        t_inputrec           *inputrec;
 +        //! Manages flop accounting.
 +        t_nrnb               *nrnb;
 +        //! Manages wall cycle accounting.
 +        gmx_wallcycle_t       wcycle;
 +        //! Coordinates global reduction.
 +        gmx_global_stat_t     gstat;
 +        //! Handles virtual sites.
 +        gmx_vsite_t          *vsite;
 +        //! Handles constraints.
 +        gmx::Constraints     *constr;
 +        //! Handles strange things.
 +        t_fcdata             *fcd;
 +        //! Molecular graph for SHAKE.
 +        t_graph              *graph;
 +        //! Per-atom data for this domain.
 +        gmx::MDAtoms         *mdAtoms;
 +        //! Handles how to calculate the forces.
 +        t_forcerec           *fr;
 +        //! Stores the computed energies.
 +        gmx_enerdata_t       *enerd;
 +};
 +
 +void
 +EnergyEvaluator::run(em_state_t *ems, rvec mu_tot,
 +                     tensor vir, tensor pres,
 +                     int64_t count, gmx_bool bFirst)
 +{
 +    real     t;
 +    gmx_bool bNS;
 +    tensor   force_vir, shake_vir, ekin;
 +    real     dvdl_constr, prescorr, enercorr, dvdlcorr;
 +    real     terminate = 0;
 +
 +    /* Set the time to the initial time, the time does not change during EM */
 +    t = inputrec->init_t;
 +
 +    if (bFirst ||
 +        (DOMAINDECOMP(cr) && ems->s.ddp_count < cr->dd->ddp_count))
 +    {
 +        /* This is the first state or an old state used before the last ns */
 +        bNS = TRUE;
 +    }
 +    else
 +    {
 +        bNS = FALSE;
 +        if (inputrec->nstlist > 0)
 +        {
 +            bNS = TRUE;
 +        }
 +    }
 +
 +    if (vsite)
 +    {
 +        construct_vsites(vsite, as_rvec_array(ems->s.x.data()), 1, nullptr,
 +                         top->idef.iparams, top->idef.il,
 +                         fr->ePBC, fr->bMolPBC, cr, ems->s.box);
 +    }
 +
 +    if (DOMAINDECOMP(cr) && bNS)
 +    {
 +        /* Repartition the domain decomposition */
 +        em_dd_partition_system(fplog, count, cr, top_global, inputrec,
 +                               ems, top, mdAtoms, fr, vsite, constr,
 +                               nrnb, wcycle);
 +    }
 +
 +    /* Calc force & energy on new trial position  */
 +    /* do_force always puts the charge groups in the box and shifts again
 +     * We do not unshift, so molecules are always whole in congrad.c
 +     */
 +    do_force(fplog, cr, ms, inputrec, nullptr, nullptr,
 +             count, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 +             ems->s.box, ems->s.x, &ems->s.hist,
 +             ems->f, force_vir, mdAtoms->mdatoms(), enerd, fcd,
 +             ems->s.lambda, graph, fr, vsite, mu_tot, t, nullptr,
 +             GMX_FORCE_STATECHANGED | GMX_FORCE_ALLFORCES |
 +             GMX_FORCE_VIRIAL | GMX_FORCE_ENERGY |
 +             (bNS ? GMX_FORCE_NS : 0),
 +             DOMAINDECOMP(cr) ?
 +             DdOpenBalanceRegionBeforeForceComputation::yes :
 +             DdOpenBalanceRegionBeforeForceComputation::no,
 +             DOMAINDECOMP(cr) ?
 +             DdCloseBalanceRegionAfterForceComputation::yes :
 +             DdCloseBalanceRegionAfterForceComputation::no);
 +
 +    /* Clear the unused shake virial and pressure */
 +    clear_mat(shake_vir);
 +    clear_mat(pres);
 +
 +    /* Communicate stuff when parallel */
 +    if (PAR(cr) && inputrec->eI != eiNM)
 +    {
 +        wallcycle_start(wcycle, ewcMoveE);
 +
 +        global_stat(gstat, cr, enerd, force_vir, shake_vir, mu_tot,
 +                    inputrec, nullptr, nullptr, nullptr, 1, &terminate,
 +                    nullptr, FALSE,
 +                    CGLO_ENERGY |
 +                    CGLO_PRESSURE |
 +                    CGLO_CONSTRAINT);
 +
 +        wallcycle_stop(wcycle, ewcMoveE);
 +    }
 +
 +    /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 +    calc_dispcorr(inputrec, fr, ems->s.box, ems->s.lambda[efptVDW],
 +                  pres, force_vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 +    enerd->term[F_DISPCORR] = enercorr;
 +    enerd->term[F_EPOT]    += enercorr;
 +    enerd->term[F_PRES]    += prescorr;
 +    enerd->term[F_DVDL]    += dvdlcorr;
 +
 +    ems->epot = enerd->term[F_EPOT];
 +
 +    if (constr)
 +    {
 +        /* Project out the constraint components of the force */
 +        dvdl_constr = 0;
 +        rvec *f_rvec = as_rvec_array(ems->f.data());
 +        constr->apply(FALSE, FALSE,
 +                      count, 0, 1.0,
 +                      as_rvec_array(ems->s.x.data()), f_rvec, f_rvec,
 +                      ems->s.box,
 +                      ems->s.lambda[efptBONDED], &dvdl_constr,
 +                      nullptr, &shake_vir, gmx::ConstraintVariable::ForceDispl);
 +        enerd->term[F_DVDL_CONSTR] += dvdl_constr;
 +        m_add(force_vir, shake_vir, vir);
 +    }
 +    else
 +    {
 +        copy_mat(force_vir, vir);
 +    }
 +
 +    clear_mat(ekin);
 +    enerd->term[F_PRES] =
 +        calc_pres(fr->ePBC, inputrec->nwall, ems->s.box, ekin, vir, pres);
 +
 +    sum_dhdl(enerd, ems->s.lambda, inputrec->fepvals);
 +
 +    if (EI_ENERGY_MINIMIZATION(inputrec->eI))
 +    {
 +        get_state_f_norm_max(cr, &(inputrec->opts), mdAtoms->mdatoms(), ems);
 +    }
 +}
 +
 +} // namespace
 +
 +//! Parallel utility summing energies and forces
 +static double reorder_partsum(const t_commrec *cr, t_grpopts *opts, t_mdatoms *mdatoms,
 +                              gmx_mtop_t *top_global,
 +                              em_state_t *s_min, em_state_t *s_b)
 +{
 +    t_block       *cgs_gl;
 +    int            ncg, *cg_gl, *index, c, cg, i, a0, a1, a, gf, m;
 +    double         partsum;
 +    unsigned char *grpnrFREEZE;
 +
 +    if (debug)
 +    {
 +        fprintf(debug, "Doing reorder_partsum\n");
 +    }
 +
 +    const rvec *fm = as_rvec_array(s_min->f.data());
 +    const rvec *fb = as_rvec_array(s_b->f.data());
 +
 +    cgs_gl = dd_charge_groups_global(cr->dd);
 +    index  = cgs_gl->index;
 +
 +    /* Collect fm in a global vector fmg.
 +     * This conflicts with the spirit of domain decomposition,
 +     * but to fully optimize this a much more complicated algorithm is required.
 +     */
 +    rvec *fmg;
 +    snew(fmg, top_global->natoms);
 +
 +    ncg   = s_min->s.cg_gl.size();
 +    cg_gl = s_min->s.cg_gl.data();
 +    i     = 0;
 +    for (c = 0; c < ncg; c++)
 +    {
 +        cg = cg_gl[c];
 +        a0 = index[cg];
 +        a1 = index[cg+1];
 +        for (a = a0; a < a1; a++)
 +        {
 +            copy_rvec(fm[i], fmg[a]);
 +            i++;
 +        }
 +    }
 +    gmx_sum(top_global->natoms*3, fmg[0], cr);
 +
 +    /* Now we will determine the part of the sum for the cgs in state s_b */
 +    ncg         = s_b->s.cg_gl.size();
 +    cg_gl       = s_b->s.cg_gl.data();
 +    partsum     = 0;
 +    i           = 0;
 +    gf          = 0;
 +    grpnrFREEZE = top_global->groups.grpnr[egcFREEZE];
 +    for (c = 0; c < ncg; c++)
 +    {
 +        cg = cg_gl[c];
 +        a0 = index[cg];
 +        a1 = index[cg+1];
 +        for (a = a0; a < a1; a++)
 +        {
 +            if (mdatoms->cFREEZE && grpnrFREEZE)
 +            {
 +                gf = grpnrFREEZE[i];
 +            }
 +            for (m = 0; m < DIM; m++)
 +            {
 +                if (!opts->nFreeze[gf][m])
 +                {
 +                    partsum += (fb[i][m] - fmg[a][m])*fb[i][m];
 +                }
 +            }
 +            i++;
 +        }
 +    }
 +
 +    sfree(fmg);
 +
 +    return partsum;
 +}
 +
 +//! Print some stuff, like beta, whatever that means.
 +static real pr_beta(const t_commrec *cr, t_grpopts *opts, t_mdatoms *mdatoms,
 +                    gmx_mtop_t *top_global,
 +                    em_state_t *s_min, em_state_t *s_b)
 +{
 +    double sum;
 +
 +    /* This is just the classical Polak-Ribiere calculation of beta;
 +     * it looks a bit complicated since we take freeze groups into account,
 +     * and might have to sum it in parallel runs.
 +     */
 +
 +    if (!DOMAINDECOMP(cr) ||
 +        (s_min->s.ddp_count == cr->dd->ddp_count &&
 +         s_b->s.ddp_count   == cr->dd->ddp_count))
 +    {
 +        const rvec *fm  = as_rvec_array(s_min->f.data());
 +        const rvec *fb  = as_rvec_array(s_b->f.data());
 +        sum             = 0;
 +        int         gf  = 0;
 +        /* This part of code can be incorrect with DD,
 +         * since the atom ordering in s_b and s_min might differ.
 +         */
 +        for (int i = 0; i < mdatoms->homenr; i++)
 +        {
 +            if (mdatoms->cFREEZE)
 +            {
 +                gf = mdatoms->cFREEZE[i];
 +            }
 +            for (int m = 0; m < DIM; m++)
 +            {
 +                if (!opts->nFreeze[gf][m])
 +                {
 +                    sum += (fb[i][m] - fm[i][m])*fb[i][m];
 +                }
 +            }
 +        }
 +    }
 +    else
 +    {
 +        /* We need to reorder cgs while summing */
 +        sum = reorder_partsum(cr, opts, mdatoms, top_global, s_min, s_b);
 +    }
 +    if (PAR(cr))
 +    {
 +        gmx_sumd(1, &sum, cr);
 +    }
 +
 +    return sum/gmx::square(s_min->fnorm);
 +}
 +
 +namespace gmx
 +{
 +
 +void
 +Integrator::do_cg()
 +{
 +    const char       *CG = "Polak-Ribiere Conjugate Gradients";
 +
 +    gmx_localtop_t   *top;
 +    gmx_enerdata_t   *enerd;
 +    gmx_global_stat_t gstat;
 +    t_graph          *graph;
 +    double            tmp, minstep;
 +    real              stepsize;
 +    real              a, b, c, beta = 0.0;
 +    real              epot_repl = 0;
 +    real              pnorm;
 +    t_mdebin         *mdebin;
 +    gmx_bool          converged, foundlower;
 +    rvec              mu_tot;
 +    gmx_bool          do_log = FALSE, do_ene = FALSE, do_x, do_f;
 +    tensor            vir, pres;
 +    int               number_steps, neval = 0, nstcg = inputrec->nstcgsteep;
 +    gmx_mdoutf_t      outf;
 +    int               m, step, nminstep;
 +    auto              mdatoms = mdAtoms->mdatoms();
 +
 +    step = 0;
 +
-         minstep = GMX_REAL_EPS/sqrt(minstep/(3*state_global->natoms));
++    if (MASTER(cr))
++    {
++        // In CG, the state is extended with a search direction
++        state_global->flags |= (1<<estCGP);
++
++        // Ensure the extra per-atom state array gets allocated
++        state_change_natoms(state_global, state_global->natoms);
++
++        // Initialize the search direction to zero
++        for (RVec &cg_p : state_global->cg_p)
++        {
++            cg_p = { 0, 0, 0 };
++        }
++    }
 +
 +    /* Create 4 states on the stack and extract pointers that we will swap */
 +    em_state_t  s0 {}, s1 {}, s2 {}, s3 {};
 +    em_state_t *s_min = &s0;
 +    em_state_t *s_a   = &s1;
 +    em_state_t *s_b   = &s2;
 +    em_state_t *s_c   = &s3;
 +
 +    /* Init em and store the local state in s_min */
 +    init_em(fplog, CG, cr, ms, outputProvider, inputrec, mdrunOptions,
 +            state_global, top_global, s_min, &top,
 +            nrnb, mu_tot, fr, &enerd, &graph, mdAtoms, &gstat,
 +            vsite, constr, nullptr,
 +            nfile, fnm, &outf, &mdebin, wcycle);
 +
 +    /* Print to log file */
 +    print_em_start(fplog, cr, walltime_accounting, wcycle, CG);
 +
 +    /* Max number of steps */
 +    number_steps = inputrec->nsteps;
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        sp_header(stderr, CG, inputrec->em_tol, number_steps);
 +    }
 +    if (fplog)
 +    {
 +        sp_header(fplog, CG, inputrec->em_tol, number_steps);
 +    }
 +
 +    EnergyEvaluator energyEvaluator {
 +        fplog, cr, ms,
 +        top_global, top,
 +        inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
 +        vsite, constr, fcd, graph,
 +        mdAtoms, fr, enerd
 +    };
 +    /* Call the force routine and some auxiliary (neighboursearching etc.) */
 +    /* do_force always puts the charge groups in the box and shifts again
 +     * We do not unshift, so molecules are always whole in congrad.c
 +     */
 +    energyEvaluator.run(s_min, mu_tot, vir, pres, -1, TRUE);
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        /* Copy stuff to the energy bin for easy printing etc. */
 +        upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(step),
 +                   mdatoms->tmass, enerd, &s_min->s, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals, s_min->s.box,
 +                   nullptr, nullptr, vir, pres, nullptr, mu_tot, constr);
 +
 +        print_ebin_header(fplog, step, step);
 +        print_ebin(mdoutf_get_fp_ene(outf), TRUE, FALSE, FALSE, fplog, step, step, eprNORMAL,
 +                   mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts), nullptr);
 +    }
 +
 +    /* Estimate/guess the initial stepsize */
 +    stepsize = inputrec->em_stepsize/s_min->fnorm;
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        double sqrtNumAtoms = sqrt(static_cast<double>(state_global->natoms));
 +        fprintf(stderr, "   F-max             = %12.5e on atom %d\n",
 +                s_min->fmax, s_min->a_fmax+1);
 +        fprintf(stderr, "   F-Norm            = %12.5e\n",
 +                s_min->fnorm/sqrtNumAtoms);
 +        fprintf(stderr, "\n");
 +        /* and copy to the log file too... */
 +        fprintf(fplog, "   F-max             = %12.5e on atom %d\n",
 +                s_min->fmax, s_min->a_fmax+1);
 +        fprintf(fplog, "   F-Norm            = %12.5e\n",
 +                s_min->fnorm/sqrtNumAtoms);
 +        fprintf(fplog, "\n");
 +    }
 +    /* Start the loop over CG steps.
 +     * Each successful step is counted, and we continue until
 +     * we either converge or reach the max number of steps.
 +     */
 +    converged = FALSE;
 +    for (step = 0; (number_steps < 0 || step <= number_steps) && !converged; step++)
 +    {
 +
 +        /* start taking steps in a new direction
 +         * First time we enter the routine, beta=0, and the direction is
 +         * simply the negative gradient.
 +         */
 +
 +        /* Calculate the new direction in p, and the gradient in this direction, gpa */
 +        rvec       *pm  = as_rvec_array(s_min->s.cg_p.data());
 +        const rvec *sfm = as_rvec_array(s_min->f.data());
 +        double      gpa = 0;
 +        int         gf  = 0;
 +        for (int i = 0; i < mdatoms->homenr; i++)
 +        {
 +            if (mdatoms->cFREEZE)
 +            {
 +                gf = mdatoms->cFREEZE[i];
 +            }
 +            for (m = 0; m < DIM; m++)
 +            {
 +                if (!inputrec->opts.nFreeze[gf][m])
 +                {
 +                    pm[i][m] = sfm[i][m] + beta*pm[i][m];
 +                    gpa     -= pm[i][m]*sfm[i][m];
 +                    /* f is negative gradient, thus the sign */
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    pm[i][m] = 0;
 +                }
 +            }
 +        }
 +
 +        /* Sum the gradient along the line across CPUs */
 +        if (PAR(cr))
 +        {
 +            gmx_sumd(1, &gpa, cr);
 +        }
 +
 +        /* Calculate the norm of the search vector */
 +        get_f_norm_max(cr, &(inputrec->opts), mdatoms, pm, &pnorm, nullptr, nullptr);
 +
 +        /* Just in case stepsize reaches zero due to numerical precision... */
 +        if (stepsize <= 0)
 +        {
 +            stepsize = inputrec->em_stepsize/pnorm;
 +        }
 +
 +        /*
 +         * Double check the value of the derivative in the search direction.
 +         * If it is positive it must be due to the old information in the
 +         * CG formula, so just remove that and start over with beta=0.
 +         * This corresponds to a steepest descent step.
 +         */
 +        if (gpa > 0)
 +        {
 +            beta = 0;
 +            step--;   /* Don't count this step since we are restarting */
 +            continue; /* Go back to the beginning of the big for-loop */
 +        }
 +
 +        /* Calculate minimum allowed stepsize, before the average (norm)
 +         * relative change in coordinate is smaller than precision
 +         */
 +        minstep = 0;
 +        for (int i = 0; i < mdatoms->homenr; i++)
 +        {
 +            for (m = 0; m < DIM; m++)
 +            {
 +                tmp = fabs(s_min->s.x[i][m]);
 +                if (tmp < 1.0)
 +                {
 +                    tmp = 1.0;
 +                }
 +                tmp      = pm[i][m]/tmp;
 +                minstep += tmp*tmp;
 +            }
 +        }
 +        /* Add up from all CPUs */
 +        if (PAR(cr))
 +        {
 +            gmx_sumd(1, &minstep, cr);
 +        }
 +
-         if (do_IMD(inputrec->bIMD, step, cr, TRUE, state_global->box, as_rvec_array(state_global->x.data()), inputrec, 0, wcycle) && MASTER(cr))
++        minstep = GMX_REAL_EPS/sqrt(minstep/(3*top_global->natoms));
 +
 +        if (stepsize < minstep)
 +        {
 +            converged = TRUE;
 +            break;
 +        }
 +
 +        /* Write coordinates if necessary */
 +        do_x = do_per_step(step, inputrec->nstxout);
 +        do_f = do_per_step(step, inputrec->nstfout);
 +
 +        write_em_traj(fplog, cr, outf, do_x, do_f, nullptr,
 +                      top_global, inputrec, step,
 +                      s_min, state_global, observablesHistory);
 +
 +        /* Take a step downhill.
 +         * In theory, we should minimize the function along this direction.
 +         * That is quite possible, but it turns out to take 5-10 function evaluations
 +         * for each line. However, we dont really need to find the exact minimum -
 +         * it is much better to start a new CG step in a modified direction as soon
 +         * as we are close to it. This will save a lot of energy evaluations.
 +         *
 +         * In practice, we just try to take a single step.
 +         * If it worked (i.e. lowered the energy), we increase the stepsize but
 +         * the continue straight to the next CG step without trying to find any minimum.
 +         * If it didn't work (higher energy), there must be a minimum somewhere between
 +         * the old position and the new one.
 +         *
 +         * Due to the finite numerical accuracy, it turns out that it is a good idea
 +         * to even accept a SMALL increase in energy, if the derivative is still downhill.
 +         * This leads to lower final energies in the tests I've done. / Erik
 +         */
 +        s_a->epot = s_min->epot;
 +        a         = 0.0;
 +        c         = a + stepsize; /* reference position along line is zero */
 +
 +        if (DOMAINDECOMP(cr) && s_min->s.ddp_count < cr->dd->ddp_count)
 +        {
 +            em_dd_partition_system(fplog, step, cr, top_global, inputrec,
 +                                   s_min, top, mdAtoms, fr, vsite, constr,
 +                                   nrnb, wcycle);
 +        }
 +
 +        /* Take a trial step (new coords in s_c) */
 +        do_em_step(cr, inputrec, mdatoms, s_min, c, &s_min->s.cg_p, s_c,
 +                   constr, -1);
 +
 +        neval++;
 +        /* Calculate energy for the trial step */
 +        energyEvaluator.run(s_c, mu_tot, vir, pres, -1, FALSE);
 +
 +        /* Calc derivative along line */
 +        const rvec *pc  = as_rvec_array(s_c->s.cg_p.data());
 +        const rvec *sfc = as_rvec_array(s_c->f.data());
 +        double      gpc = 0;
 +        for (int i = 0; i < mdatoms->homenr; i++)
 +        {
 +            for (m = 0; m < DIM; m++)
 +            {
 +                gpc -= pc[i][m]*sfc[i][m]; /* f is negative gradient, thus the sign */
 +            }
 +        }
 +        /* Sum the gradient along the line across CPUs */
 +        if (PAR(cr))
 +        {
 +            gmx_sumd(1, &gpc, cr);
 +        }
 +
 +        /* This is the max amount of increase in energy we tolerate */
 +        tmp = std::sqrt(GMX_REAL_EPS)*fabs(s_a->epot);
 +
 +        /* Accept the step if the energy is lower, or if it is not significantly higher
 +         * and the line derivative is still negative.
 +         */
 +        if (s_c->epot < s_a->epot || (gpc < 0 && s_c->epot < (s_a->epot + tmp)))
 +        {
 +            foundlower = TRUE;
 +            /* Great, we found a better energy. Increase step for next iteration
 +             * if we are still going down, decrease it otherwise
 +             */
 +            if (gpc < 0)
 +            {
 +                stepsize *= 1.618034; /* The golden section */
 +            }
 +            else
 +            {
 +                stepsize *= 0.618034; /* 1/golden section */
 +            }
 +        }
 +        else
 +        {
 +            /* New energy is the same or higher. We will have to do some work
 +             * to find a smaller value in the interval. Take smaller step next time!
 +             */
 +            foundlower = FALSE;
 +            stepsize  *= 0.618034;
 +        }
 +
 +
 +
 +
 +        /* OK, if we didn't find a lower value we will have to locate one now - there must
 +         * be one in the interval [a=0,c].
 +         * The same thing is valid here, though: Don't spend dozens of iterations to find
 +         * the line minimum. We try to interpolate based on the derivative at the endpoints,
 +         * and only continue until we find a lower value. In most cases this means 1-2 iterations.
 +         *
 +         * I also have a safeguard for potentially really pathological functions so we never
 +         * take more than 20 steps before we give up ...
 +         *
 +         * If we already found a lower value we just skip this step and continue to the update.
 +         */
 +        double gpb;
 +        if (!foundlower)
 +        {
 +            nminstep = 0;
 +
 +            do
 +            {
 +                /* Select a new trial point.
 +                 * If the derivatives at points a & c have different sign we interpolate to zero,
 +                 * otherwise just do a bisection.
 +                 */
 +                if (gpa < 0 && gpc > 0)
 +                {
 +                    b = a + gpa*(a-c)/(gpc-gpa);
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    b = 0.5*(a+c);
 +                }
 +
 +                /* safeguard if interpolation close to machine accuracy causes errors:
 +                 * never go outside the interval
 +                 */
 +                if (b <= a || b >= c)
 +                {
 +                    b = 0.5*(a+c);
 +                }
 +
 +                if (DOMAINDECOMP(cr) && s_min->s.ddp_count != cr->dd->ddp_count)
 +                {
 +                    /* Reload the old state */
 +                    em_dd_partition_system(fplog, -1, cr, top_global, inputrec,
 +                                           s_min, top, mdAtoms, fr, vsite, constr,
 +                                           nrnb, wcycle);
 +                }
 +
 +                /* Take a trial step to this new point - new coords in s_b */
 +                do_em_step(cr, inputrec, mdatoms, s_min, b, &s_min->s.cg_p, s_b,
 +                           constr, -1);
 +
 +                neval++;
 +                /* Calculate energy for the trial step */
 +                energyEvaluator.run(s_b, mu_tot, vir, pres, -1, FALSE);
 +
 +                /* p does not change within a step, but since the domain decomposition
 +                 * might change, we have to use cg_p of s_b here.
 +                 */
 +                const rvec *pb  = as_rvec_array(s_b->s.cg_p.data());
 +                const rvec *sfb = as_rvec_array(s_b->f.data());
 +                gpb             = 0;
 +                for (int i = 0; i < mdatoms->homenr; i++)
 +                {
 +                    for (m = 0; m < DIM; m++)
 +                    {
 +                        gpb -= pb[i][m]*sfb[i][m]; /* f is negative gradient, thus the sign */
 +                    }
 +                }
 +                /* Sum the gradient along the line across CPUs */
 +                if (PAR(cr))
 +                {
 +                    gmx_sumd(1, &gpb, cr);
 +                }
 +
 +                if (debug)
 +                {
 +                    fprintf(debug, "CGE: EpotA %f EpotB %f EpotC %f gpb %f\n",
 +                            s_a->epot, s_b->epot, s_c->epot, gpb);
 +                }
 +
 +                epot_repl = s_b->epot;
 +
 +                /* Keep one of the intervals based on the value of the derivative at the new point */
 +                if (gpb > 0)
 +                {
 +                    /* Replace c endpoint with b */
 +                    swap_em_state(&s_b, &s_c);
 +                    c   = b;
 +                    gpc = gpb;
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    /* Replace a endpoint with b */
 +                    swap_em_state(&s_b, &s_a);
 +                    a   = b;
 +                    gpa = gpb;
 +                }
 +
 +                /*
 +                 * Stop search as soon as we find a value smaller than the endpoints.
 +                 * Never run more than 20 steps, no matter what.
 +                 */
 +                nminstep++;
 +            }
 +            while ((epot_repl > s_a->epot || epot_repl > s_c->epot) &&
 +                   (nminstep < 20));
 +
 +            if (std::fabs(epot_repl - s_min->epot) < fabs(s_min->epot)*GMX_REAL_EPS ||
 +                nminstep >= 20)
 +            {
 +                /* OK. We couldn't find a significantly lower energy.
 +                 * If beta==0 this was steepest descent, and then we give up.
 +                 * If not, set beta=0 and restart with steepest descent before quitting.
 +                 */
 +                if (beta == 0.0)
 +                {
 +                    /* Converged */
 +                    converged = TRUE;
 +                    break;
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    /* Reset memory before giving up */
 +                    beta = 0.0;
 +                    continue;
 +                }
 +            }
 +
 +            /* Select min energy state of A & C, put the best in B.
 +             */
 +            if (s_c->epot < s_a->epot)
 +            {
 +                if (debug)
 +                {
 +                    fprintf(debug, "CGE: C (%f) is lower than A (%f), moving C to B\n",
 +                            s_c->epot, s_a->epot);
 +                }
 +                swap_em_state(&s_b, &s_c);
 +                gpb = gpc;
 +            }
 +            else
 +            {
 +                if (debug)
 +                {
 +                    fprintf(debug, "CGE: A (%f) is lower than C (%f), moving A to B\n",
 +                            s_a->epot, s_c->epot);
 +                }
 +                swap_em_state(&s_b, &s_a);
 +                gpb = gpa;
 +            }
 +
 +        }
 +        else
 +        {
 +            if (debug)
 +            {
 +                fprintf(debug, "CGE: Found a lower energy %f, moving C to B\n",
 +                        s_c->epot);
 +            }
 +            swap_em_state(&s_b, &s_c);
 +            gpb = gpc;
 +        }
 +
 +        /* new search direction */
 +        /* beta = 0 means forget all memory and restart with steepest descents. */
 +        if (nstcg && ((step % nstcg) == 0))
 +        {
 +            beta = 0.0;
 +        }
 +        else
 +        {
 +            /* s_min->fnorm cannot be zero, because then we would have converged
 +             * and broken out.
 +             */
 +
 +            /* Polak-Ribiere update.
 +             * Change to fnorm2/fnorm2_old for Fletcher-Reeves
 +             */
 +            beta = pr_beta(cr, &inputrec->opts, mdatoms, top_global, s_min, s_b);
 +        }
 +        /* Limit beta to prevent oscillations */
 +        if (fabs(beta) > 5.0)
 +        {
 +            beta = 0.0;
 +        }
 +
 +
 +        /* update positions */
 +        swap_em_state(&s_min, &s_b);
 +        gpa = gpb;
 +
 +        /* Print it if necessary */
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            if (mdrunOptions.verbose)
 +            {
 +                double sqrtNumAtoms = sqrt(static_cast<double>(state_global->natoms));
 +                fprintf(stderr, "\rStep %d, Epot=%12.6e, Fnorm=%9.3e, Fmax=%9.3e (atom %d)\n",
 +                        step, s_min->epot, s_min->fnorm/sqrtNumAtoms,
 +                        s_min->fmax, s_min->a_fmax+1);
 +                fflush(stderr);
 +            }
 +            /* Store the new (lower) energies */
 +            upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(step),
 +                       mdatoms->tmass, enerd, &s_min->s, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals, s_min->s.box,
 +                       nullptr, nullptr, vir, pres, nullptr, mu_tot, constr);
 +
 +            do_log = do_per_step(step, inputrec->nstlog);
 +            do_ene = do_per_step(step, inputrec->nstenergy);
 +
 +            /* Prepare IMD energy record, if bIMD is TRUE. */
 +            IMD_fill_energy_record(inputrec->bIMD, inputrec->imd, enerd, step, TRUE);
 +
 +            if (do_log)
 +            {
 +                print_ebin_header(fplog, step, step);
 +            }
 +            print_ebin(mdoutf_get_fp_ene(outf), do_ene, FALSE, FALSE,
 +                       do_log ? fplog : nullptr, step, step, eprNORMAL,
 +                       mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts), nullptr);
 +        }
 +
 +        /* Send energies and positions to the IMD client if bIMD is TRUE. */
++        if (MASTER(cr) && do_IMD(inputrec->bIMD, step, cr, TRUE, state_global->box, as_rvec_array(state_global->x.data()), inputrec, 0, wcycle))
 +        {
 +            IMD_send_positions(inputrec->imd);
 +        }
 +
 +        /* Stop when the maximum force lies below tolerance.
 +         * If we have reached machine precision, converged is already set to true.
 +         */
 +        converged = converged || (s_min->fmax < inputrec->em_tol);
 +
 +    }   /* End of the loop */
 +
 +    /* IMD cleanup, if bIMD is TRUE. */
 +    IMD_finalize(inputrec->bIMD, inputrec->imd);
 +
 +    if (converged)
 +    {
 +        step--; /* we never took that last step in this case */
 +
 +    }
 +    if (s_min->fmax > inputrec->em_tol)
 +    {
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            warn_step(fplog, inputrec->em_tol, s_min->fmax,
 +                      step-1 == number_steps, FALSE);
 +        }
 +        converged = FALSE;
 +    }
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        /* If we printed energy and/or logfile last step (which was the last step)
 +         * we don't have to do it again, but otherwise print the final values.
 +         */
 +        if (!do_log)
 +        {
 +            /* Write final value to log since we didn't do anything the last step */
 +            print_ebin_header(fplog, step, step);
 +        }
 +        if (!do_ene || !do_log)
 +        {
 +            /* Write final energy file entries */
 +            print_ebin(mdoutf_get_fp_ene(outf), !do_ene, FALSE, FALSE,
 +                       !do_log ? fplog : nullptr, step, step, eprNORMAL,
 +                       mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts), nullptr);
 +        }
 +    }
 +
 +    /* Print some stuff... */
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        fprintf(stderr, "\nwriting lowest energy coordinates.\n");
 +    }
 +
 +    /* IMPORTANT!
 +     * For accurate normal mode calculation it is imperative that we
 +     * store the last conformation into the full precision binary trajectory.
 +     *
 +     * However, we should only do it if we did NOT already write this step
 +     * above (which we did if do_x or do_f was true).
 +     */
++    /* Note that with 0 < nstfout != nstxout we can end up with two frames
++     * in the trajectory with the same step number.
++     */
 +    do_x = !do_per_step(step, inputrec->nstxout);
 +    do_f = (inputrec->nstfout > 0 && !do_per_step(step, inputrec->nstfout));
 +
 +    write_em_traj(fplog, cr, outf, do_x, do_f, ftp2fn(efSTO, nfile, fnm),
 +                  top_global, inputrec, step,
 +                  s_min, state_global, observablesHistory);
 +
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        double sqrtNumAtoms = sqrt(static_cast<double>(state_global->natoms));
 +        print_converged(stderr, CG, inputrec->em_tol, step, converged, number_steps,
 +                        s_min, sqrtNumAtoms);
 +        print_converged(fplog, CG, inputrec->em_tol, step, converged, number_steps,
 +                        s_min, sqrtNumAtoms);
 +
 +        fprintf(fplog, "\nPerformed %d energy evaluations in total.\n", neval);
 +    }
 +
 +    finish_em(cr, outf, walltime_accounting, wcycle);
 +
 +    /* To print the actual number of steps we needed somewhere */
 +    walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, step);
 +}
 +
 +
 +void
 +Integrator::do_lbfgs()
 +{
 +    static const char *LBFGS = "Low-Memory BFGS Minimizer";
 +    em_state_t         ems;
 +    gmx_localtop_t    *top;
 +    gmx_enerdata_t    *enerd;
 +    gmx_global_stat_t  gstat;
 +    t_graph           *graph;
 +    int                ncorr, nmaxcorr, point, cp, neval, nminstep;
 +    double             stepsize, step_taken, gpa, gpb, gpc, tmp, minstep;
 +    real              *rho, *alpha, *p, *s, **dx, **dg;
 +    real               a, b, c, maxdelta, delta;
 +    real               diag, Epot0;
 +    real               dgdx, dgdg, sq, yr, beta;
 +    t_mdebin          *mdebin;
 +    gmx_bool           converged;
 +    rvec               mu_tot;
 +    gmx_bool           do_log, do_ene, do_x, do_f, foundlower, *frozen;
 +    tensor             vir, pres;
 +    int                start, end, number_steps;
 +    gmx_mdoutf_t       outf;
 +    int                i, k, m, n, gf, step;
 +    int                mdof_flags;
 +    auto               mdatoms = mdAtoms->mdatoms();
 +
 +    if (PAR(cr))
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Cannot do parallel L-BFGS Minimization - yet.\n");
 +    }
 +
 +    if (nullptr != constr)
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "The combination of constraints and L-BFGS minimization is not implemented. Either do not use constraints, or use another minimizer (e.g. steepest descent).");
 +    }
 +
 +    n        = 3*state_global->natoms;
 +    nmaxcorr = inputrec->nbfgscorr;
 +
 +    snew(frozen, n);
 +
 +    snew(p, n);
 +    snew(rho, nmaxcorr);
 +    snew(alpha, nmaxcorr);
 +
 +    snew(dx, nmaxcorr);
 +    for (i = 0; i < nmaxcorr; i++)
 +    {
 +        snew(dx[i], n);
 +    }
 +
 +    snew(dg, nmaxcorr);
 +    for (i = 0; i < nmaxcorr; i++)
 +    {
 +        snew(dg[i], n);
 +    }
 +
 +    step  = 0;
 +    neval = 0;
 +
 +    /* Init em */
 +    init_em(fplog, LBFGS, cr, ms, outputProvider, inputrec, mdrunOptions,
 +            state_global, top_global, &ems, &top,
 +            nrnb, mu_tot, fr, &enerd, &graph, mdAtoms, &gstat,
 +            vsite, constr, nullptr,
 +            nfile, fnm, &outf, &mdebin, wcycle);
 +
 +    start = 0;
 +    end   = mdatoms->homenr;
 +
 +    /* We need 4 working states */
 +    em_state_t  s0 {}, s1 {}, s2 {}, s3 {};
 +    em_state_t *sa   = &s0;
 +    em_state_t *sb   = &s1;
 +    em_state_t *sc   = &s2;
 +    em_state_t *last = &s3;
 +    /* Initialize by copying the state from ems (we could skip x and f here) */
 +    *sa              = ems;
 +    *sb              = ems;
 +    *sc              = ems;
 +
 +    /* Print to log file */
 +    print_em_start(fplog, cr, walltime_accounting, wcycle, LBFGS);
 +
 +    do_log = do_ene = do_x = do_f = TRUE;
 +
 +    /* Max number of steps */
 +    number_steps = inputrec->nsteps;
 +
 +    /* Create a 3*natoms index to tell whether each degree of freedom is frozen */
 +    gf = 0;
 +    for (i = start; i < end; i++)
 +    {
 +        if (mdatoms->cFREEZE)
 +        {
 +            gf = mdatoms->cFREEZE[i];
 +        }
 +        for (m = 0; m < DIM; m++)
 +        {
 +            frozen[3*i+m] = (inputrec->opts.nFreeze[gf][m] != 0);
 +        }
 +    }
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        sp_header(stderr, LBFGS, inputrec->em_tol, number_steps);
 +    }
 +    if (fplog)
 +    {
 +        sp_header(fplog, LBFGS, inputrec->em_tol, number_steps);
 +    }
 +
 +    if (vsite)
 +    {
 +        construct_vsites(vsite, as_rvec_array(state_global->x.data()), 1, nullptr,
 +                         top->idef.iparams, top->idef.il,
 +                         fr->ePBC, fr->bMolPBC, cr, state_global->box);
 +    }
 +
 +    /* Call the force routine and some auxiliary (neighboursearching etc.) */
 +    /* do_force always puts the charge groups in the box and shifts again
 +     * We do not unshift, so molecules are always whole
 +     */
 +    neval++;
 +    EnergyEvaluator energyEvaluator {
 +        fplog, cr, ms,
 +        top_global, top,
 +        inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
 +        vsite, constr, fcd, graph,
 +        mdAtoms, fr, enerd
 +    };
 +    energyEvaluator.run(&ems, mu_tot, vir, pres, -1, TRUE);
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        /* Copy stuff to the energy bin for easy printing etc. */
 +        upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(step),
 +                   mdatoms->tmass, enerd, state_global, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals, state_global->box,
 +                   nullptr, nullptr, vir, pres, nullptr, mu_tot, constr);
 +
 +        print_ebin_header(fplog, step, step);
 +        print_ebin(mdoutf_get_fp_ene(outf), TRUE, FALSE, FALSE, fplog, step, step, eprNORMAL,
 +                   mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts), nullptr);
 +    }
 +
 +    /* Set the initial step.
 +     * since it will be multiplied by the non-normalized search direction
 +     * vector (force vector the first time), we scale it by the
 +     * norm of the force.
 +     */
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        double sqrtNumAtoms = sqrt(static_cast<double>(state_global->natoms));
 +        fprintf(stderr, "Using %d BFGS correction steps.\n\n", nmaxcorr);
 +        fprintf(stderr, "   F-max             = %12.5e on atom %d\n", ems.fmax, ems.a_fmax + 1);
 +        fprintf(stderr, "   F-Norm            = %12.5e\n", ems.fnorm/sqrtNumAtoms);
 +        fprintf(stderr, "\n");
 +        /* and copy to the log file too... */
 +        fprintf(fplog, "Using %d BFGS correction steps.\n\n", nmaxcorr);
 +        fprintf(fplog, "   F-max             = %12.5e on atom %d\n", ems.fmax, ems.a_fmax + 1);
 +        fprintf(fplog, "   F-Norm            = %12.5e\n", ems.fnorm/sqrtNumAtoms);
 +        fprintf(fplog, "\n");
 +    }
 +
 +    // Point is an index to the memory of search directions, where 0 is the first one.
 +    point = 0;
 +
 +    // Set initial search direction to the force (-gradient), or 0 for frozen particles.
 +    real *fInit = static_cast<real *>(as_rvec_array(ems.f.data())[0]);
 +    for (i = 0; i < n; i++)
 +    {
 +        if (!frozen[i])
 +        {
 +            dx[point][i] = fInit[i]; /* Initial search direction */
 +        }
 +        else
 +        {
 +            dx[point][i] = 0;
 +        }
 +    }
 +
 +    // Stepsize will be modified during the search, and actually it is not critical
 +    // (the main efficiency in the algorithm comes from changing directions), but
 +    // we still need an initial value, so estimate it as the inverse of the norm
 +    // so we take small steps where the potential fluctuates a lot.
 +    stepsize  = 1.0/ems.fnorm;
 +
 +    /* Start the loop over BFGS steps.
 +     * Each successful step is counted, and we continue until
 +     * we either converge or reach the max number of steps.
 +     */
 +
 +    ncorr = 0;
 +
 +    /* Set the gradient from the force */
 +    converged = FALSE;
 +    for (step = 0; (number_steps < 0 || step <= number_steps) && !converged; step++)
 +    {
 +
 +        /* Write coordinates if necessary */
 +        do_x = do_per_step(step, inputrec->nstxout);
 +        do_f = do_per_step(step, inputrec->nstfout);
 +
 +        mdof_flags = 0;
 +        if (do_x)
 +        {
 +            mdof_flags |= MDOF_X;
 +        }
 +
 +        if (do_f)
 +        {
 +            mdof_flags |= MDOF_F;
 +        }
 +
 +        if (inputrec->bIMD)
 +        {
 +            mdof_flags |= MDOF_IMD;
 +        }
 +
 +        mdoutf_write_to_trajectory_files(fplog, cr, outf, mdof_flags,
 +                                         top_global, step, static_cast<real>(step), &ems.s, state_global, observablesHistory, ems.f);
 +
 +        /* Do the linesearching in the direction dx[point][0..(n-1)] */
 +
 +        /* make s a pointer to current search direction - point=0 first time we get here */
 +        s = dx[point];
 +
 +        real *xx = static_cast<real *>(as_rvec_array(ems.s.x.data())[0]);
 +        real *ff = static_cast<real *>(as_rvec_array(ems.f.data())[0]);
 +
 +        // calculate line gradient in position A
 +        for (gpa = 0, i = 0; i < n; i++)
 +        {
 +            gpa -= s[i]*ff[i];
 +        }
 +
 +        /* Calculate minimum allowed stepsize along the line, before the average (norm)
 +         * relative change in coordinate is smaller than precision
 +         */
 +        for (minstep = 0, i = 0; i < n; i++)
 +        {
 +            tmp = fabs(xx[i]);
 +            if (tmp < 1.0)
 +            {
 +                tmp = 1.0;
 +            }
 +            tmp      = s[i]/tmp;
 +            minstep += tmp*tmp;
 +        }
 +        minstep = GMX_REAL_EPS/sqrt(minstep/n);
 +
 +        if (stepsize < minstep)
 +        {
 +            converged = TRUE;
 +            break;
 +        }
 +
 +        // Before taking any steps along the line, store the old position
 +        *last       = ems;
 +        real *lastx = static_cast<real *>(as_rvec_array(last->s.x.data())[0]);
 +        real *lastf = static_cast<real *>(as_rvec_array(last->f.data())[0]);
 +        Epot0       = ems.epot;
 +
 +        *sa         = ems;
 +
 +        /* Take a step downhill.
 +         * In theory, we should find the actual minimum of the function in this
 +         * direction, somewhere along the line.
 +         * That is quite possible, but it turns out to take 5-10 function evaluations
 +         * for each line. However, we dont really need to find the exact minimum -
 +         * it is much better to start a new BFGS step in a modified direction as soon
 +         * as we are close to it. This will save a lot of energy evaluations.
 +         *
 +         * In practice, we just try to take a single step.
 +         * If it worked (i.e. lowered the energy), we increase the stepsize but
 +         * continue straight to the next BFGS step without trying to find any minimum,
 +         * i.e. we change the search direction too. If the line was smooth, it is
 +         * likely we are in a smooth region, and then it makes sense to take longer
 +         * steps in the modified search direction too.
 +         *
 +         * If it didn't work (higher energy), there must be a minimum somewhere between
 +         * the old position and the new one. Then we need to start by finding a lower
 +         * value before we change search direction. Since the energy was apparently
 +         * quite rough, we need to decrease the step size.
 +         *
 +         * Due to the finite numerical accuracy, it turns out that it is a good idea
 +         * to accept a SMALL increase in energy, if the derivative is still downhill.
 +         * This leads to lower final energies in the tests I've done. / Erik
 +         */
 +
 +        // State "A" is the first position along the line.
 +        // reference position along line is initially zero
 +        a          = 0.0;
 +
 +        // Check stepsize first. We do not allow displacements
 +        // larger than emstep.
 +        //
 +        do
 +        {
 +            // Pick a new position C by adding stepsize to A.
 +            c        = a + stepsize;
 +
 +            // Calculate what the largest change in any individual coordinate
 +            // would be (translation along line * gradient along line)
 +            maxdelta = 0;
 +            for (i = 0; i < n; i++)
 +            {
 +                delta = c*s[i];
 +                if (delta > maxdelta)
 +                {
 +                    maxdelta = delta;
 +                }
 +            }
 +            // If any displacement is larger than the stepsize limit, reduce the step
 +            if (maxdelta > inputrec->em_stepsize)
 +            {
 +                stepsize *= 0.1;
 +            }
 +        }
 +        while (maxdelta > inputrec->em_stepsize);
 +
 +        // Take a trial step and move the coordinate array xc[] to position C
 +        real *xc = static_cast<real *>(as_rvec_array(sc->s.x.data())[0]);
 +        for (i = 0; i < n; i++)
 +        {
 +            xc[i] = lastx[i] + c*s[i];
 +        }
 +
 +        neval++;
 +        // Calculate energy for the trial step in position C
 +        energyEvaluator.run(sc, mu_tot, vir, pres, step, FALSE);
 +
 +        // Calc line gradient in position C
 +        real *fc = static_cast<real *>(as_rvec_array(sc->f.data())[0]);
 +        for (gpc = 0, i = 0; i < n; i++)
 +        {
 +            gpc -= s[i]*fc[i]; /* f is negative gradient, thus the sign */
 +        }
 +        /* Sum the gradient along the line across CPUs */
 +        if (PAR(cr))
 +        {
 +            gmx_sumd(1, &gpc, cr);
 +        }
 +
 +        // This is the max amount of increase in energy we tolerate.
 +        // By allowing VERY small changes (close to numerical precision) we
 +        // frequently find even better (lower) final energies.
 +        tmp = std::sqrt(GMX_REAL_EPS)*fabs(sa->epot);
 +
 +        // Accept the step if the energy is lower in the new position C (compared to A),
 +        // or if it is not significantly higher and the line derivative is still negative.
 +        foundlower = sc->epot < sa->epot || (gpc < 0 && sc->epot < (sa->epot + tmp));
 +        // If true, great, we found a better energy. We no longer try to alter the
 +        // stepsize, but simply accept this new better position. The we select a new
 +        // search direction instead, which will be much more efficient than continuing
 +        // to take smaller steps along a line. Set fnorm based on the new C position,
 +        // which will be used to update the stepsize to 1/fnorm further down.
 +
 +        // If false, the energy is NOT lower in point C, i.e. it will be the same
 +        // or higher than in point A. In this case it is pointless to move to point C,
 +        // so we will have to do more iterations along the same line to find a smaller
 +        // value in the interval [A=0.0,C].
 +        // Here, A is still 0.0, but that will change when we do a search in the interval
 +        // [0.0,C] below. That search we will do by interpolation or bisection rather
 +        // than with the stepsize, so no need to modify it. For the next search direction
 +        // it will be reset to 1/fnorm anyway.
 +
 +        if (!foundlower)
 +        {
 +            // OK, if we didn't find a lower value we will have to locate one now - there must
 +            // be one in the interval [a,c].
 +            // The same thing is valid here, though: Don't spend dozens of iterations to find
 +            // the line minimum. We try to interpolate based on the derivative at the endpoints,
 +            // and only continue until we find a lower value. In most cases this means 1-2 iterations.
 +            // I also have a safeguard for potentially really pathological functions so we never
 +            // take more than 20 steps before we give up.
 +            // If we already found a lower value we just skip this step and continue to the update.
 +            real fnorm = 0;
 +            nminstep   = 0;
 +            do
 +            {
 +                // Select a new trial point B in the interval [A,C].
 +                // If the derivatives at points a & c have different sign we interpolate to zero,
 +                // otherwise just do a bisection since there might be multiple minima/maxima
 +                // inside the interval.
 +                if (gpa < 0 && gpc > 0)
 +                {
 +                    b = a + gpa*(a-c)/(gpc-gpa);
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    b = 0.5*(a+c);
 +                }
 +
 +                /* safeguard if interpolation close to machine accuracy causes errors:
 +                 * never go outside the interval
 +                 */
 +                if (b <= a || b >= c)
 +                {
 +                    b = 0.5*(a+c);
 +                }
 +
 +                // Take a trial step to point B
 +                real *xb = static_cast<real *>(as_rvec_array(sb->s.x.data())[0]);
 +                for (i = 0; i < n; i++)
 +                {
 +                    xb[i] = lastx[i] + b*s[i];
 +                }
 +
 +                neval++;
 +                // Calculate energy for the trial step in point B
 +                energyEvaluator.run(sb, mu_tot, vir, pres, step, FALSE);
 +                fnorm = sb->fnorm;
 +
 +                // Calculate gradient in point B
 +                real *fb = static_cast<real *>(as_rvec_array(sb->f.data())[0]);
 +                for (gpb = 0, i = 0; i < n; i++)
 +                {
 +                    gpb -= s[i]*fb[i]; /* f is negative gradient, thus the sign */
 +
 +                }
 +                /* Sum the gradient along the line across CPUs */
 +                if (PAR(cr))
 +                {
 +                    gmx_sumd(1, &gpb, cr);
 +                }
 +
 +                // Keep one of the intervals [A,B] or [B,C] based on the value of the derivative
 +                // at the new point B, and rename the endpoints of this new interval A and C.
 +                if (gpb > 0)
 +                {
 +                    /* Replace c endpoint with b */
 +                    c   = b;
 +                    /* swap states b and c */
 +                    swap_em_state(&sb, &sc);
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    /* Replace a endpoint with b */
 +                    a   = b;
 +                    /* swap states a and b */
 +                    swap_em_state(&sa, &sb);
 +                }
 +
 +                /*
 +                 * Stop search as soon as we find a value smaller than the endpoints,
 +                 * or if the tolerance is below machine precision.
 +                 * Never run more than 20 steps, no matter what.
 +                 */
 +                nminstep++;
 +            }
 +            while ((sb->epot > sa->epot || sb->epot > sc->epot) && (nminstep < 20));
 +
 +            if (std::fabs(sb->epot - Epot0) < GMX_REAL_EPS || nminstep >= 20)
 +            {
 +                /* OK. We couldn't find a significantly lower energy.
 +                 * If ncorr==0 this was steepest descent, and then we give up.
 +                 * If not, reset memory to restart as steepest descent before quitting.
 +                 */
 +                if (ncorr == 0)
 +                {
 +                    /* Converged */
 +                    converged = TRUE;
 +                    break;
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    /* Reset memory */
 +                    ncorr = 0;
 +                    /* Search in gradient direction */
 +                    for (i = 0; i < n; i++)
 +                    {
 +                        dx[point][i] = ff[i];
 +                    }
 +                    /* Reset stepsize */
 +                    stepsize = 1.0/fnorm;
 +                    continue;
 +                }
 +            }
 +
 +            /* Select min energy state of A & C, put the best in xx/ff/Epot
 +             */
 +            if (sc->epot < sa->epot)
 +            {
 +                /* Use state C */
 +                ems        = *sc;
 +                step_taken = c;
 +            }
 +            else
 +            {
 +                /* Use state A */
 +                ems        = *sa;
 +                step_taken = a;
 +            }
 +
 +        }
 +        else
 +        {
 +            /* found lower */
 +            /* Use state C */
 +            ems        = *sc;
 +            step_taken = c;
 +        }
 +
 +        /* Update the memory information, and calculate a new
 +         * approximation of the inverse hessian
 +         */
 +
 +        /* Have new data in Epot, xx, ff */
 +        if (ncorr < nmaxcorr)
 +        {
 +            ncorr++;
 +        }
 +
 +        for (i = 0; i < n; i++)
 +        {
 +            dg[point][i]  = lastf[i]-ff[i];
 +            dx[point][i] *= step_taken;
 +        }
 +
 +        dgdg = 0;
 +        dgdx = 0;
 +        for (i = 0; i < n; i++)
 +        {
 +            dgdg += dg[point][i]*dg[point][i];
 +            dgdx += dg[point][i]*dx[point][i];
 +        }
 +
 +        diag = dgdx/dgdg;
 +
 +        rho[point] = 1.0/dgdx;
 +        point++;
 +
 +        if (point >= nmaxcorr)
 +        {
 +            point = 0;
 +        }
 +
 +        /* Update */
 +        for (i = 0; i < n; i++)
 +        {
 +            p[i] = ff[i];
 +        }
 +
 +        cp = point;
 +
 +        /* Recursive update. First go back over the memory points */
 +        for (k = 0; k < ncorr; k++)
 +        {
 +            cp--;
 +            if (cp < 0)
 +            {
 +                cp = ncorr-1;
 +            }
 +
 +            sq = 0;
 +            for (i = 0; i < n; i++)
 +            {
 +                sq += dx[cp][i]*p[i];
 +            }
 +
 +            alpha[cp] = rho[cp]*sq;
 +
 +            for (i = 0; i < n; i++)
 +            {
 +                p[i] -= alpha[cp]*dg[cp][i];
 +            }
 +        }
 +
 +        for (i = 0; i < n; i++)
 +        {
 +            p[i] *= diag;
 +        }
 +
 +        /* And then go forward again */
 +        for (k = 0; k < ncorr; k++)
 +        {
 +            yr = 0;
 +            for (i = 0; i < n; i++)
 +            {
 +                yr += p[i]*dg[cp][i];
 +            }
 +
 +            beta = rho[cp]*yr;
 +            beta = alpha[cp]-beta;
 +
 +            for (i = 0; i < n; i++)
 +            {
 +                p[i] += beta*dx[cp][i];
 +            }
 +
 +            cp++;
 +            if (cp >= ncorr)
 +            {
 +                cp = 0;
 +            }
 +        }
 +
 +        for (i = 0; i < n; i++)
 +        {
 +            if (!frozen[i])
 +            {
 +                dx[point][i] = p[i];
 +            }
 +            else
 +            {
 +                dx[point][i] = 0;
 +            }
 +        }
 +
 +        /* Print it if necessary */
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            if (mdrunOptions.verbose)
 +            {
 +                double sqrtNumAtoms = sqrt(static_cast<double>(state_global->natoms));
 +                fprintf(stderr, "\rStep %d, Epot=%12.6e, Fnorm=%9.3e, Fmax=%9.3e (atom %d)\n",
 +                        step, ems.epot, ems.fnorm/sqrtNumAtoms, ems.fmax, ems.a_fmax + 1);
 +                fflush(stderr);
 +            }
 +            /* Store the new (lower) energies */
 +            upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(step),
 +                       mdatoms->tmass, enerd, state_global, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals, state_global->box,
 +                       nullptr, nullptr, vir, pres, nullptr, mu_tot, constr);
 +            do_log = do_per_step(step, inputrec->nstlog);
 +            do_ene = do_per_step(step, inputrec->nstenergy);
 +            if (do_log)
 +            {
 +                print_ebin_header(fplog, step, step);
 +            }
 +            print_ebin(mdoutf_get_fp_ene(outf), do_ene, FALSE, FALSE,
 +                       do_log ? fplog : nullptr, step, step, eprNORMAL,
 +                       mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts), nullptr);
 +        }
 +
 +        /* Send x and E to IMD client, if bIMD is TRUE. */
 +        if (do_IMD(inputrec->bIMD, step, cr, TRUE, state_global->box, as_rvec_array(state_global->x.data()), inputrec, 0, wcycle) && MASTER(cr))
 +        {
 +            IMD_send_positions(inputrec->imd);
 +        }
 +
 +        // Reset stepsize in we are doing more iterations
 +        stepsize = 1.0/ems.fnorm;
 +
 +        /* Stop when the maximum force lies below tolerance.
 +         * If we have reached machine precision, converged is already set to true.
 +         */
 +        converged = converged || (ems.fmax < inputrec->em_tol);
 +
 +    }   /* End of the loop */
 +
 +    /* IMD cleanup, if bIMD is TRUE. */
 +    IMD_finalize(inputrec->bIMD, inputrec->imd);
 +
 +    if (converged)
 +    {
 +        step--; /* we never took that last step in this case */
 +
 +    }
 +    if (ems.fmax > inputrec->em_tol)
 +    {
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            warn_step(fplog, inputrec->em_tol, ems.fmax,
 +                      step-1 == number_steps, FALSE);
 +        }
 +        converged = FALSE;
 +    }
 +
 +    /* If we printed energy and/or logfile last step (which was the last step)
 +     * we don't have to do it again, but otherwise print the final values.
 +     */
 +    if (!do_log) /* Write final value to log since we didn't do anythin last step */
 +    {
 +        print_ebin_header(fplog, step, step);
 +    }
 +    if (!do_ene || !do_log) /* Write final energy file entries */
 +    {
 +        print_ebin(mdoutf_get_fp_ene(outf), !do_ene, FALSE, FALSE,
 +                   !do_log ? fplog : nullptr, step, step, eprNORMAL,
 +                   mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts), nullptr);
 +    }
 +
 +    /* Print some stuff... */
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        fprintf(stderr, "\nwriting lowest energy coordinates.\n");
 +    }
 +
 +    /* IMPORTANT!
 +     * For accurate normal mode calculation it is imperative that we
 +     * store the last conformation into the full precision binary trajectory.
 +     *
 +     * However, we should only do it if we did NOT already write this step
 +     * above (which we did if do_x or do_f was true).
 +     */
 +    do_x = !do_per_step(step, inputrec->nstxout);
 +    do_f = !do_per_step(step, inputrec->nstfout);
 +    write_em_traj(fplog, cr, outf, do_x, do_f, ftp2fn(efSTO, nfile, fnm),
 +                  top_global, inputrec, step,
 +                  &ems, state_global, observablesHistory);
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        double sqrtNumAtoms = sqrt(static_cast<double>(state_global->natoms));
 +        print_converged(stderr, LBFGS, inputrec->em_tol, step, converged,
 +                        number_steps, &ems, sqrtNumAtoms);
 +        print_converged(fplog, LBFGS, inputrec->em_tol, step, converged,
 +                        number_steps, &ems, sqrtNumAtoms);
 +
 +        fprintf(fplog, "\nPerformed %d energy evaluations in total.\n", neval);
 +    }
 +
 +    finish_em(cr, outf, walltime_accounting, wcycle);
 +
 +    /* To print the actual number of steps we needed somewhere */
 +    walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, step);
 +}
 +
 +void
 +Integrator::do_steep()
 +{
 +    const char       *SD = "Steepest Descents";
 +    gmx_localtop_t   *top;
 +    gmx_enerdata_t   *enerd;
 +    gmx_global_stat_t gstat;
 +    t_graph          *graph;
 +    real              stepsize;
 +    real              ustep;
 +    gmx_mdoutf_t      outf;
 +    t_mdebin         *mdebin;
 +    gmx_bool          bDone, bAbort, do_x, do_f;
 +    tensor            vir, pres;
 +    rvec              mu_tot;
 +    int               nsteps;
 +    int               count          = 0;
 +    int               steps_accepted = 0;
 +    auto              mdatoms        = mdAtoms->mdatoms();
 +
 +    /* Create 2 states on the stack and extract pointers that we will swap */
 +    em_state_t  s0 {}, s1 {};
 +    em_state_t *s_min = &s0;
 +    em_state_t *s_try = &s1;
 +
 +    /* Init em and store the local state in s_try */
 +    init_em(fplog, SD, cr, ms, outputProvider, inputrec, mdrunOptions,
 +            state_global, top_global, s_try, &top,
 +            nrnb, mu_tot, fr, &enerd, &graph, mdAtoms, &gstat,
 +            vsite, constr, nullptr,
 +            nfile, fnm, &outf, &mdebin, wcycle);
 +
 +    /* Print to log file  */
 +    print_em_start(fplog, cr, walltime_accounting, wcycle, SD);
 +
 +    /* Set variables for stepsize (in nm). This is the largest
 +     * step that we are going to make in any direction.
 +     */
 +    ustep    = inputrec->em_stepsize;
 +    stepsize = 0;
 +
 +    /* Max number of steps  */
 +    nsteps = inputrec->nsteps;
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        /* Print to the screen  */
 +        sp_header(stderr, SD, inputrec->em_tol, nsteps);
 +    }
 +    if (fplog)
 +    {
 +        sp_header(fplog, SD, inputrec->em_tol, nsteps);
 +    }
 +    EnergyEvaluator energyEvaluator {
 +        fplog, cr, ms,
 +        top_global, top,
 +        inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
 +        vsite, constr, fcd, graph,
 +        mdAtoms, fr, enerd
 +    };
 +
 +    /**** HERE STARTS THE LOOP ****
 +     * count is the counter for the number of steps
 +     * bDone will be TRUE when the minimization has converged
 +     * bAbort will be TRUE when nsteps steps have been performed or when
 +     * the stepsize becomes smaller than is reasonable for machine precision
 +     */
 +    count  = 0;
 +    bDone  = FALSE;
 +    bAbort = FALSE;
 +    while (!bDone && !bAbort)
 +    {
 +        bAbort = (nsteps >= 0) && (count == nsteps);
 +
 +        /* set new coordinates, except for first step */
 +        bool validStep = true;
 +        if (count > 0)
 +        {
 +            validStep =
 +                do_em_step(cr, inputrec, mdatoms,
 +                           s_min, stepsize, &s_min->f, s_try,
 +                           constr, count);
 +        }
 +
 +        if (validStep)
 +        {
 +            energyEvaluator.run(s_try, mu_tot, vir, pres, count, count == 0);
 +        }
 +        else
 +        {
 +            // Signal constraint error during stepping with energy=inf
 +            s_try->epot = std::numeric_limits<real>::infinity();
 +        }
 +
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            print_ebin_header(fplog, count, count);
 +        }
 +
 +        if (count == 0)
 +        {
 +            s_min->epot = s_try->epot;
 +        }
 +
 +        /* Print it if necessary  */
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            if (mdrunOptions.verbose)
 +            {
 +                fprintf(stderr, "Step=%5d, Dmax= %6.1e nm, Epot= %12.5e Fmax= %11.5e, atom= %d%c",
 +                        count, ustep, s_try->epot, s_try->fmax, s_try->a_fmax+1,
 +                        ( (count == 0) || (s_try->epot < s_min->epot) ) ? '\n' : '\r');
 +                fflush(stderr);
 +            }
 +
 +            if ( (count == 0) || (s_try->epot < s_min->epot) )
 +            {
 +                /* Store the new (lower) energies  */
 +                upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(count),
 +                           mdatoms->tmass, enerd, &s_try->s, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals,
 +                           s_try->s.box, nullptr, nullptr, vir, pres, nullptr, mu_tot, constr);
 +
 +                /* Prepare IMD energy record, if bIMD is TRUE. */
 +                IMD_fill_energy_record(inputrec->bIMD, inputrec->imd, enerd, count, TRUE);
 +
 +                print_ebin(mdoutf_get_fp_ene(outf), TRUE,
 +                           do_per_step(steps_accepted, inputrec->nstdisreout),
 +                           do_per_step(steps_accepted, inputrec->nstorireout),
 +                           fplog, count, count, eprNORMAL,
 +                           mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts), nullptr);
 +                fflush(fplog);
 +            }
 +        }
 +
 +        /* Now if the new energy is smaller than the previous...
 +         * or if this is the first step!
 +         * or if we did random steps!
 +         */
 +
 +        if ( (count == 0) || (s_try->epot < s_min->epot) )
 +        {
 +            steps_accepted++;
 +
 +            /* Test whether the convergence criterion is met...  */
 +            bDone = (s_try->fmax < inputrec->em_tol);
 +
 +            /* Copy the arrays for force, positions and energy  */
 +            /* The 'Min' array always holds the coords and forces of the minimal
 +               sampled energy  */
 +            swap_em_state(&s_min, &s_try);
 +            if (count > 0)
 +            {
 +                ustep *= 1.2;
 +            }
 +
 +            /* Write to trn, if necessary */
 +            do_x = do_per_step(steps_accepted, inputrec->nstxout);
 +            do_f = do_per_step(steps_accepted, inputrec->nstfout);
 +            write_em_traj(fplog, cr, outf, do_x, do_f, nullptr,
 +                          top_global, inputrec, count,
 +                          s_min, state_global, observablesHistory);
 +        }
 +        else
 +        {
 +            /* If energy is not smaller make the step smaller...  */
 +            ustep *= 0.5;
 +
 +            if (DOMAINDECOMP(cr) && s_min->s.ddp_count != cr->dd->ddp_count)
 +            {
 +                /* Reload the old state */
 +                em_dd_partition_system(fplog, count, cr, top_global, inputrec,
 +                                       s_min, top, mdAtoms, fr, vsite, constr,
 +                                       nrnb, wcycle);
 +            }
 +        }
 +
 +        /* Determine new step  */
 +        stepsize = ustep/s_min->fmax;
 +
 +        /* Check if stepsize is too small, with 1 nm as a characteristic length */
 +#if GMX_DOUBLE
 +        if (count == nsteps || ustep < 1e-12)
 +#else
 +        if (count == nsteps || ustep < 1e-6)
 +#endif
 +        {
 +            if (MASTER(cr))
 +            {
 +                warn_step(fplog, inputrec->em_tol, s_min->fmax,
 +                          count == nsteps, constr != nullptr);
 +            }
 +            bAbort = TRUE;
 +        }
 +
 +        /* Send IMD energies and positions, if bIMD is TRUE. */
 +        if (do_IMD(inputrec->bIMD, count, cr, TRUE, state_global->box,
 +                   MASTER(cr) ? as_rvec_array(state_global->x.data()) : nullptr,
 +                   inputrec, 0, wcycle) &&
 +            MASTER(cr))
 +        {
 +            IMD_send_positions(inputrec->imd);
 +        }
 +
 +        count++;
 +    }   /* End of the loop  */
 +
 +    /* IMD cleanup, if bIMD is TRUE. */
 +    IMD_finalize(inputrec->bIMD, inputrec->imd);
 +
 +    /* Print some data...  */
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        fprintf(stderr, "\nwriting lowest energy coordinates.\n");
 +    }
 +    write_em_traj(fplog, cr, outf, TRUE, inputrec->nstfout != 0, ftp2fn(efSTO, nfile, fnm),
 +                  top_global, inputrec, count,
 +                  s_min, state_global, observablesHistory);
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        double sqrtNumAtoms = sqrt(static_cast<double>(state_global->natoms));
 +
 +        print_converged(stderr, SD, inputrec->em_tol, count, bDone, nsteps,
 +                        s_min, sqrtNumAtoms);
 +        print_converged(fplog, SD, inputrec->em_tol, count, bDone, nsteps,
 +                        s_min, sqrtNumAtoms);
 +    }
 +
 +    finish_em(cr, outf, walltime_accounting, wcycle);
 +
 +    /* To print the actual number of steps we needed somewhere */
 +    inputrec->nsteps = count;
 +
 +    walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, count);
 +}
 +
 +void
 +Integrator::do_nm()
 +{
 +    const char          *NM = "Normal Mode Analysis";
 +    gmx_mdoutf_t         outf;
 +    int                  nnodes, node;
 +    gmx_localtop_t      *top;
 +    gmx_enerdata_t      *enerd;
 +    gmx_global_stat_t    gstat;
 +    t_graph             *graph;
 +    tensor               vir, pres;
 +    rvec                 mu_tot;
 +    rvec                *fneg, *dfdx;
 +    gmx_bool             bSparse; /* use sparse matrix storage format */
 +    size_t               sz;
 +    gmx_sparsematrix_t * sparse_matrix           = nullptr;
 +    real           *     full_matrix             = nullptr;
 +
 +    /* added with respect to mdrun */
 +    int                       row, col;
 +    real                      der_range = 10.0*std::sqrt(GMX_REAL_EPS);
 +    real                      x_min;
 +    bool                      bIsMaster = MASTER(cr);
 +    auto                      mdatoms   = mdAtoms->mdatoms();
 +
 +    if (constr != nullptr)
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Constraints present with Normal Mode Analysis, this combination is not supported");
 +    }
 +
 +    gmx_shellfc_t *shellfc;
 +
 +    em_state_t     state_work {};
 +
 +    /* Init em and store the local state in state_minimum */
 +    init_em(fplog, NM, cr, ms, outputProvider, inputrec, mdrunOptions,
 +            state_global, top_global, &state_work, &top,
 +            nrnb, mu_tot, fr, &enerd, &graph, mdAtoms, &gstat,
 +            vsite, constr, &shellfc,
 +            nfile, fnm, &outf, nullptr, wcycle);
 +
 +    std::vector<size_t> atom_index = get_atom_index(top_global);
 +    snew(fneg, atom_index.size());
 +    snew(dfdx, atom_index.size());
 +
 +#if !GMX_DOUBLE
 +    if (bIsMaster)
 +    {
 +        fprintf(stderr,
 +                "NOTE: This version of GROMACS has been compiled in single precision,\n"
 +                "      which MIGHT not be accurate enough for normal mode analysis.\n"
 +                "      GROMACS now uses sparse matrix storage, so the memory requirements\n"
 +                "      are fairly modest even if you recompile in double precision.\n\n");
 +    }
 +#endif
 +
 +    /* Check if we can/should use sparse storage format.
 +     *
 +     * Sparse format is only useful when the Hessian itself is sparse, which it
 +     * will be when we use a cutoff.
 +     * For small systems (n<1000) it is easier to always use full matrix format, though.
 +     */
 +    if (EEL_FULL(fr->ic->eeltype) || fr->rlist == 0.0)
 +    {
 +        GMX_LOG(mdlog.warning).appendText("Non-cutoff electrostatics used, forcing full Hessian format.");
 +        bSparse = FALSE;
 +    }
 +    else if (atom_index.size() < 1000)
 +    {
 +        GMX_LOG(mdlog.warning).appendTextFormatted("Small system size (N=%zu), using full Hessian format.",
 +                                                   atom_index.size());
 +        bSparse = FALSE;
 +    }
 +    else
 +    {
 +        GMX_LOG(mdlog.warning).appendText("Using compressed symmetric sparse Hessian format.");
 +        bSparse = TRUE;
 +    }
 +
 +    /* Number of dimensions, based on real atoms, that is not vsites or shell */
 +    sz = DIM*atom_index.size();
 +
 +    fprintf(stderr, "Allocating Hessian memory...\n\n");
 +
 +    if (bSparse)
 +    {
 +        sparse_matrix = gmx_sparsematrix_init(sz);
 +        sparse_matrix->compressed_symmetric = TRUE;
 +    }
 +    else
 +    {
 +        snew(full_matrix, sz*sz);
 +    }
 +
 +    init_nrnb(nrnb);
 +
 +
 +    /* Write start time and temperature */
 +    print_em_start(fplog, cr, walltime_accounting, wcycle, NM);
 +
 +    /* fudge nr of steps to nr of atoms */
 +    inputrec->nsteps = atom_index.size()*2;
 +
 +    if (bIsMaster)
 +    {
 +        fprintf(stderr, "starting normal mode calculation '%s'\n%" PRId64 " steps.\n\n",
 +                *(top_global->name), inputrec->nsteps);
 +    }
 +
 +    nnodes = cr->nnodes;
 +
 +    /* Make evaluate_energy do a single node force calculation */
 +    cr->nnodes = 1;
 +    EnergyEvaluator energyEvaluator {
 +        fplog, cr, ms,
 +        top_global, top,
 +        inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
 +        vsite, constr, fcd, graph,
 +        mdAtoms, fr, enerd
 +    };
 +    energyEvaluator.run(&state_work, mu_tot, vir, pres, -1, TRUE);
 +    cr->nnodes = nnodes;
 +
 +    /* if forces are not small, warn user */
 +    get_state_f_norm_max(cr, &(inputrec->opts), mdatoms, &state_work);
 +
 +    GMX_LOG(mdlog.warning).appendTextFormatted("Maximum force:%12.5e", state_work.fmax);
 +    if (state_work.fmax > 1.0e-3)
 +    {
 +        GMX_LOG(mdlog.warning).appendText(
 +                "The force is probably not small enough to "
 +                "ensure that you are at a minimum.\n"
 +                "Be aware that negative eigenvalues may occur\n"
 +                "when the resulting matrix is diagonalized.");
 +    }
 +
 +    /***********************************************************
 +     *
 +     *      Loop over all pairs in matrix
 +     *
 +     *      do_force called twice. Once with positive and
 +     *      once with negative displacement
 +     *
 +     ************************************************************/
 +
 +    /* Steps are divided one by one over the nodes */
 +    bool bNS = true;
 +    for (unsigned int aid = cr->nodeid; aid < atom_index.size(); aid += nnodes)
 +    {
 +        size_t atom = atom_index[aid];
 +        for (size_t d = 0; d < DIM; d++)
 +        {
 +            int64_t     step        = 0;
 +            int         force_flags = GMX_FORCE_STATECHANGED | GMX_FORCE_ALLFORCES;
 +            double      t           = 0;
 +
 +            x_min = state_work.s.x[atom][d];
 +
 +            for (unsigned int dx = 0; (dx < 2); dx++)
 +            {
 +                if (dx == 0)
 +                {
 +                    state_work.s.x[atom][d] = x_min - der_range;
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    state_work.s.x[atom][d] = x_min + der_range;
 +                }
 +
 +                /* Make evaluate_energy do a single node force calculation */
 +                cr->nnodes = 1;
 +                if (shellfc)
 +                {
 +                    /* Now is the time to relax the shells */
 +                    relax_shell_flexcon(fplog,
 +                                        cr,
 +                                        ms,
 +                                        mdrunOptions.verbose,
 +                                        nullptr,
 +                                        step,
 +                                        inputrec,
 +                                        bNS,
 +                                        force_flags,
 +                                        top,
 +                                        constr,
 +                                        enerd,
 +                                        fcd,
 +                                        &state_work.s,
 +                                        state_work.f,
 +                                        vir,
 +                                        mdatoms,
 +                                        nrnb,
 +                                        wcycle,
 +                                        graph,
 +                                        &top_global->groups,
 +                                        shellfc,
 +                                        fr,
 +                                        t,
 +                                        mu_tot,
 +                                        vsite,
 +                                        DdOpenBalanceRegionBeforeForceComputation::no,
 +                                        DdCloseBalanceRegionAfterForceComputation::no);
 +                    bNS = false;
 +                    step++;
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    energyEvaluator.run(&state_work, mu_tot, vir, pres, atom*2+dx, FALSE);
 +                }
 +
 +                cr->nnodes = nnodes;
 +
 +                if (dx == 0)
 +                {
 +                    for (size_t i = 0; i < atom_index.size(); i++)
 +                    {
 +                        copy_rvec(state_work.f[atom_index[i]], fneg[i]);
 +                    }
 +                }
 +            }
 +
 +            /* x is restored to original */
 +            state_work.s.x[atom][d] = x_min;
 +
 +            for (size_t j = 0; j < atom_index.size(); j++)
 +            {
 +                for (size_t k = 0; (k < DIM); k++)
 +                {
 +                    dfdx[j][k] =
 +                        -(state_work.f[atom_index[j]][k] - fneg[j][k])/(2*der_range);
 +                }
 +            }
 +
 +            if (!bIsMaster)
 +            {
 +#if GMX_MPI
 +#define mpi_type GMX_MPI_REAL
 +                MPI_Send(dfdx[0], atom_index.size()*DIM, mpi_type, MASTER(cr),
 +                         cr->nodeid, cr->mpi_comm_mygroup);
 +#endif
 +            }
 +            else
 +            {
 +                for (node = 0; (node < nnodes && atom+node < atom_index.size()); node++)
 +                {
 +                    if (node > 0)
 +                    {
 +#if GMX_MPI
 +                        MPI_Status stat;
 +                        MPI_Recv(dfdx[0], atom_index.size()*DIM, mpi_type, node, node,
 +                                 cr->mpi_comm_mygroup, &stat);
 +#undef mpi_type
 +#endif
 +                    }
 +
 +                    row = (atom + node)*DIM + d;
 +
 +                    for (size_t j = 0; j < atom_index.size(); j++)
 +                    {
 +                        for (size_t k = 0; k < DIM; k++)
 +                        {
 +                            col = j*DIM + k;
 +
 +                            if (bSparse)
 +                            {
 +                                if (col >= row && dfdx[j][k] != 0.0)
 +                                {
 +                                    gmx_sparsematrix_increment_value(sparse_matrix,
 +                                                                     row, col, dfdx[j][k]);
 +                                }
 +                            }
 +                            else
 +                            {
 +                                full_matrix[row*sz+col] = dfdx[j][k];
 +                            }
 +                        }
 +                    }
 +                }
 +            }
 +
 +            if (mdrunOptions.verbose && fplog)
 +            {
 +                fflush(fplog);
 +            }
 +        }
 +        /* write progress */
 +        if (bIsMaster && mdrunOptions.verbose)
 +        {
 +            fprintf(stderr, "\rFinished step %d out of %d",
 +                    static_cast<int>(std::min(atom+nnodes, atom_index.size())),
 +                    static_cast<int>(atom_index.size()));
 +            fflush(stderr);
 +        }
 +    }
 +
 +    if (bIsMaster)
 +    {
 +        fprintf(stderr, "\n\nWriting Hessian...\n");
 +        gmx_mtxio_write(ftp2fn(efMTX, nfile, fnm), sz, sz, full_matrix, sparse_matrix);
 +    }
 +
 +    finish_em(cr, outf, walltime_accounting, wcycle);
 +
 +    walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, atom_index.size()*2);
 +}
 +
 +} // namespace gmx
index 2e73cc93d0171667e5dac4a1587111ebdba3c3ef,ac423e866fef68569fe1a4903946963fe0370db2..ccb7cb8ab0c71b1745529374d75189bf387de020
@@@ -280,14 -273,36 +280,36 @@@ void pull_print_output(struct pull_t *p
   * \param[in,out] xp   Updated x, can be NULL.
   *
   */
 -void pull_calc_coms(t_commrec        *cr,
 -                    struct pull_t    *pull,
 -                    t_mdatoms        *md,
 -                    struct t_pbc     *pbc,
 -                    double            t,
 -                    rvec              x[],
 -                    rvec             *xp);
 +void pull_calc_coms(const t_commrec *cr,
 +                    pull_t          *pull,
 +                    const t_mdatoms *md,
 +                    t_pbc           *pbc,
 +                    double           t,
 +                    const rvec       x[],
 +                    rvec            *xp);
  
+ /*! \brief Margin for checking PBC distances compared to half the box size in pullCheckPbcWithinGroups() */
+ static constexpr real c_pullGroupPbcMargin = 0.9;
+ /*! \brief Checks whether all groups that use a reference atom are within PBC restrictions
+  *
+  * Groups that use a reference atom for determining PBC should have all their
+  * atoms within half the box size from the PBC atom. The box size is used
+  * per dimension for rectangular boxes, but can be a combination of
+  * dimensions for triclinic boxes, depending on which dimensions are
+  * involved in the pull coordinates a group is involved in.
+  *
+  * Should be called without MPI parallelization and after pull_calc_coms()
+  * has been called at least once.
+  *
+  * \param[in] pull  The pull data structure
+  * \param[in] x     The coordinates
+  * \param[in] pbc   Information struct about periodicity
+  * \returns -1 when all groups obey PBC or the first group index that fails PBC
+  */
+ int pullCheckPbcWithinGroups(const pull_t &pull,
+                              const rvec   *x,
+                              const t_pbc  &pbc);
  
  /*! \brief Returns if we have pull coordinates with potential pulling.
   *
index bf96afdfa3b82b88de584d607afb0644cc1270ab,e86336deec1de801733f1135bb2aa53b16aaca9d..06f1f2e84df8208a33c752b3c7a4dfa7896e6968
@@@ -797,3 -819,134 +797,135 @@@ void pull_calc_coms(const t_commrec *cr
          make_cyl_refgrps(cr, pull, md, pbc, t, x);
      }
  }
 -    rvec marginPerDim;
+ using BoolVec = gmx::BasicVector<bool>;
+ /* Returns whether the pull group obeys the PBC restrictions */
+ static bool pullGroupObeysPbcRestrictions(const pull_group_work_t &group,
+                                           const BoolVec           &dimUsed,
+                                           const rvec              *x,
+                                           const t_pbc             &pbc,
+                                           const rvec              &x_pbc)
+ {
+     /* Determine which dimensions are relevant for PBC */
+     BoolVec dimUsesPbc       = { false, false, false };
+     bool    pbcIsRectangular = true;
+     for (int d = 0; d < pbc.ndim_ePBC; d++)
+     {
+         if (dimUsed[d])
+         {
+             dimUsesPbc[d] = true;
+             /* All non-zero dimensions of vector v are involved in PBC */
+             for (int d2 = d + 1; d2 < pbc.ndim_ePBC; d2++)
+             {
+                 assert(d2 < DIM);
+                 if (pbc.box[d2][d] != 0)
+                 {
+                     dimUsesPbc[d2]   = true;
+                     pbcIsRectangular = false;
+                 }
+             }
+         }
+     }
 -    for (int i = 0; i < group.nat_loc; i++)
++    rvec marginPerDim = {};
+     real marginDistance2 = 0;
+     if (pbcIsRectangular)
+     {
+         /* Use margins for dimensions independently */
+         for (int d = 0; d < pbc.ndim_ePBC; d++)
+         {
+             marginPerDim[d] = c_pullGroupPbcMargin*pbc.hbox_diag[d];
+         }
+     }
+     else
+     {
+         /* Check the total distance along the relevant dimensions */
+         for (int d = 0; d < pbc.ndim_ePBC; d++)
+         {
+             if (dimUsesPbc[d])
+             {
+                 marginDistance2 += c_pullGroupPbcMargin*gmx::square(0.5)*norm2(pbc.box[d]);
+             }
+         }
+     }
 -        pbc_dx(&pbc, x[group.ind_loc[i]], x_pbc, dx);
++    auto localAtomIndices = group.atomSet.localIndex();
++    for (gmx::index indexInSet = 0; indexInSet < localAtomIndices.size(); indexInSet++)
+     {
+         rvec dx;
 -    std::vector<BoolVec> dimUsed(pull.ngroup, { false, false, false });
 -    for (int c = 0; c < pull.ncoord; c++)
++        pbc_dx(&pbc, x[indexInSet], x_pbc, dx);
+         bool atomIsTooFar = false;
+         if (pbcIsRectangular)
+         {
+             for (int d = 0; d < pbc.ndim_ePBC; d++)
+             {
+                 if (dimUsesPbc[d] && (dx[d] < -marginPerDim[d] ||
+                                       dx[d] >  marginPerDim[d]))
+                 {
+                     atomIsTooFar = true;
+                 }
+             }
+         }
+         else
+         {
+             real pbcDistance2 = 0;
+             for (int d = 0; d < pbc.ndim_ePBC; d++)
+             {
+                 if (dimUsesPbc[d])
+                 {
+                     pbcDistance2 += gmx::square(dx[d]);
+                 }
+             }
+             atomIsTooFar = (pbcDistance2 > marginDistance2);
+         }
+         if (atomIsTooFar)
+         {
+             return false;
+         }
+     }
+     return true;
+ }
+ int pullCheckPbcWithinGroups(const pull_t &pull,
+                              const rvec   *x,
+                              const t_pbc  &pbc)
+ {
+     if (pbc.ePBC == epbcNONE)
+     {
+         return -1;
+     }
+     /* Determine what dimensions are used for each group by pull coordinates */
 -    for (int g = 0; g < pull.ngroup; g++)
++    std::vector<BoolVec> dimUsed(pull.group.size(), { false, false, false });
++    for (size_t c = 0; c < pull.coord.size(); c++)
+     {
+         const t_pull_coord &coordParams = pull.coord[c].params;
+         for (int groupIndex = 0; groupIndex < coordParams.ngroup; groupIndex++)
+         {
+             for (int d = 0; d < DIM; d++)
+             {
+                 if (coordParams.dim[d] &&
+                     !(coordParams.eGeom == epullgCYL && groupIndex == 0))
+                 {
+                     dimUsed[coordParams.group[groupIndex]][d] = true;
+                 }
+             }
+         }
+     }
+     /* Check PBC for every group that uses a PBC reference atom treatment */
++    for (size_t g = 0; g < pull.group.size(); g++)
+     {
+         const pull_group_work_t &group = pull.group[g];
+         if (group.epgrppbc == epgrppbcREFAT &&
+             !pullGroupObeysPbcRestrictions(group, dimUsed[g], x, pbc, pull.comm.rbuf[g]))
+         {
+             return g;
+         }
+     }
+     return -1;
+ }
index 6609567cd93f867d6efd5b9bbfba49b34be0ae6f,c27e28ad37aa09a0fc803521ea04bd9f4d88c3ba..ab64d393cf3af7728d958f69aff3fd432bbb659f
@@@ -262,11 -262,8 +262,8 @@@ void gmx_print_version_info(gmx::TextWr
  #else
      writer->writeLine("TNG support:        disabled");
  #endif
 -#if GMX_HWLOC
 +#if GMX_USE_HWLOC
-     writer->writeLine(formatString("Hwloc support:      hwloc-%d.%d.%d",
-                                    HWLOC_API_VERSION>>16,
-                                    (HWLOC_API_VERSION>>8) & 0xFF,
-                                    HWLOC_API_VERSION & 0xFF));
+     writer->writeLine(formatString("Hwloc support:      hwloc-%s", HWLOC_VERSION));
  #else
      writer->writeLine("Hwloc support:      disabled");
  #endif