Merge branch release-2018 into release-2019
authorPaul Bauer <paul.bauer.q@gmail.com>
Wed, 21 Nov 2018 09:46:29 +0000 (10:46 +0100)
committerPaul Bauer <paul.bauer.q@gmail.com>
Wed, 21 Nov 2018 12:06:05 +0000 (13:06 +0100)
Several changes addressing known issues have not
been brought forward, either because they are
inappropriate or the bug is already fixed in
release-2019 branch.

Resolved Conflicts:
admin/builds/gromacs.py
admin/builds/post-submit-matrix.txt
cmake/gmxVersionInfo.cmake
docs/CMakeLists.txt
src/gromacs/mdlib/minimize.cpp
src/gromacs/mdlib/shellfc.cpp
src/gromacs/topology/mtop_util.cpp
src/programs/mdrun/md.cpp
src/programs/mdrun/mdrun.cpp
src/programs/mdrun/runner.cpp
src/testutils/testinit.cpp

Change-Id: Ia18b43854925fb2c6e1bf4256b99bd8f42359f68

12 files changed:
1  2 
admin/builds/post-submit-matrix.txt
docs/CMakeLists.txt
docs/release-notes/index.rst
src/gromacs/fileio/checkpoint.cpp
src/gromacs/gmxana/gmx_anaeig.cpp
src/gromacs/gmxana/hxprops.cpp
src/gromacs/gmxana/hxprops.h
src/gromacs/gmxpreprocess/readir.cpp
src/gromacs/mdlib/shellfc.cpp
src/gromacs/mdrun/minimize.cpp
src/gromacs/mdrun/rerun.cpp
src/gromacs/topology/mtop_util.cpp

index e78eacde683682a2b885018ddbc1be5c230088ee,22fa54a732d1c166f98bb4fbd020a11bf2891772..54be31af55767634be504419bcc8dd082cbc1e54
@@@ -11,7 -11,7 +11,7 @@@
  
  # Test on ARM v7
  # Test ARM_NEON SIMD
- gcc-5 simd=ARM_NEON release-with-assert
 -gcc-4.8 simd=ARM_NEON no-hwloc release-with-assert
++gcc-5 simd=ARM_NEON no-hwloc release-with-assert
  
  # Test on ARM v8
  # Test ARM_NEON_ASIMD SIMD
index 16c227367f729b993f4f4bedfa8d788e9a681b84,35f1572480d3c26b4c45c1b2b54067dcdf0fd7b7..8e0cb26ee2512d69500c35830b886805cb2ce2f4
@@@ -357,22 -123,9 +357,23 @@@ if (SPHINX_FOUND
          dev-manual/tools.rst
          dev-manual/uncrustify.rst
          fragments/doxygen-links.rst
 +        how-to/index.rst
 +        how-to/beginners.rst
 +        how-to/topology.rst
 +        how-to/special.rst
 +        how-to/visualize.rst
          install-guide/index.rst
          release-notes/index.rst
 +        release-notes/2019/major/highlights.rst
 +        release-notes/2019/major/features.rst
 +        release-notes/2019/major/performance.rst
 +        release-notes/2019/major/tools.rst
 +        release-notes/2019/major/bugs-fixed.rst
 +        release-notes/2019/major/removed-functionality.rst
 +        release-notes/2019/major/deprecated-functionality.rst
 +        release-notes/2019/major/portability.rst
 +        release-notes/2019/major/miscellaneous.rst
+         release-notes/2018/2018.5.rst
          release-notes/2018/2018.4.rst
          release-notes/2018/2018.3.rst
          release-notes/2018/2018.2.rst
Simple merge
index 2e15928db2224369f62010ab28496ee788dd18f1,ee267914eec05741972e2d8b2a7c081d360a7dea..2dcf992ffc2cc532fe2f1805b36b8a4b6675ce0e
@@@ -2761,12 -2608,29 +2761,29 @@@ void load_checkpoint(const char *fn, t_
          gmx_bcast(sizeof(*bReadEkin), bReadEkin, cr);
      }
      ir->bContinuation    = TRUE;
 -    if ((ir->nsteps >= 0) && (ir->nsteps < step))
+     // TODO Should the following condition be <=? Currently if you
+     // pass a checkpoint written by an normal completion to a restart,
+     // mdrun will read all input, does some work but no steps, and
+     // write successful output. But perhaps that is not desirable.
 -        gmx_step_str(step, stepString);
++    if ((ir->nsteps >= 0) && (ir->nsteps < headerContents.step))
+     {
+         // Note that we do not intend to support the use of mdrun
+         // -nsteps to circumvent this condition.
+         char nstepsString[STEPSTRSIZE], stepString[STEPSTRSIZE];
+         gmx_step_str(ir->nsteps, nstepsString);
++        gmx_step_str(headerContents.step, stepString);
+         gmx_fatal(FARGS, "The input requested %s steps, however the checkpoint "
+                   "file has already reached step %s. The simulation will not "
+                   "proceed, because either your simulation is already complete, "
+                   "or your combination of input files don't match.",
+                   nstepsString, stepString);
+     }
      if (ir->nsteps >= 0)
      {
 -        ir->nsteps          += ir->init_step - step;
 +        ir->nsteps          += ir->init_step - headerContents.step;
      }
 -    ir->init_step        = step;
 -    ir->simulation_part += 1;
 +    ir->init_step        = headerContents.step;
 +    ir->simulation_part  = headerContents.simulation_part + 1;
  }
  
  void read_checkpoint_part_and_step(const char  *filename,
Simple merge
Simple merge
Simple merge
Simple merge
index 6543a7664a95a775f565eb4ac66bd69c9a6131fb,8c82362581b0f880b8b6175717965d0b3a7c66e1..5a7458df469868d14d42dbef778aa4d0bf793f93
@@@ -1137,15 -1105,15 +1137,16 @@@ void relax_shell_flexcon(FIL
      /* Calculate the forces first time around */
      if (gmx_debug_at)
      {
 -        pr_rvecs(debug, 0, "x b4 do_force", as_rvec_array(state->x.data()), homenr);
 +        pr_rvecs(debug, 0, "x b4 do_force", state->x.rvec_array(), homenr);
      }
 -    do_force(fplog, cr, inputrec, mdstep, nrnb, wcycle, top, groups,
 -             state->box, state->x, &state->hist,
 -             shfc->f[Min], force_vir, md, enerd, fcd,
+     int shellfc_flags = force_flags | (bVerbose ? GMX_FORCE_ENERGY : 0);
 +    do_force(fplog, cr, ms, inputrec, nullptr, enforcedRotation,
 +             mdstep, nrnb, wcycle, top, groups,
 +             state->box, state->x.arrayRefWithPadding(), &state->hist,
 +             forceWithPadding[Min], force_vir, md, enerd, fcd,
               state->lambda, graph,
 -             fr, vsite, mu_tot, t, nullptr, bBornRadii,
 +             fr, vsite, mu_tot, t, nullptr,
-              (bDoNS ? GMX_FORCE_NS : 0) | force_flags,
+              (bDoNS ? GMX_FORCE_NS : 0) | shellfc_flags,
               ddOpenBalanceRegion, ddCloseBalanceRegion);
  
      sf_dir = 0;
              sf_dir += md->massT[i]*norm2(shfc->acc_dir[i]);
          }
      }
+     sum_epot(&(enerd->grpp), enerd->term);
      Epot[Min] = enerd->term[F_EPOT];
 -    df[Min]   = rms_force(cr, shfc->f[Min], nshell, shell, nflexcon, &sf_dir, &Epot[Min]);
 -    df[Try]   = 0;
 +
 +    df[Min] = rms_force(cr, forceWithPadding[Min].paddedArrayRef(), nshell, shell, nflexcon, &sf_dir, &Epot[Min]);
 +    df[Try] = 0;
      if (debug)
      {
          fprintf(debug, "df = %g  %g\n", df[Min], df[Try]);
  
      if (nshell+nflexcon > 0)
      {
 -        /* Copy x to shfc->x[Min] & shfc->x[Try]: during minimization only the
 +        /* Copy x to pos[Min] & pos[Try]: during minimization only the
           * shell positions are updated, therefore the other particles must
-          * be set here.
+          * be set here, in advance.
           */
 -        shfc->x[Min] = PaddedRVecVector(std::begin(state->x), std::end(state->x));
 -        shfc->x[Try] = PaddedRVecVector(std::begin(state->x), std::end(state->x));
 +        std::copy(state->x.begin(),
 +                  state->x.end(),
 +                  posWithPadding[Min].paddedArrayRef().begin());
 +        std::copy(state->x.begin(),
 +                  state->x.end(),
 +                  posWithPadding[Try].paddedArrayRef().begin());
      }
  
      if (bVerbose && MASTER(cr))
  
          if (gmx_debug_at)
          {
 -            pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: shfc->x[Min]  ", as_rvec_array(shfc->x[Min].data()), homenr);
 -            pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: shfc->x[Try]  ", as_rvec_array(shfc->x[Try].data()), homenr);
 +            pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: pos[Min]  ", as_rvec_array(pos[Min].data()), homenr);
 +            pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: pos[Try]  ", as_rvec_array(pos[Try].data()), homenr);
          }
          /* Try the new positions */
 -        do_force(fplog, cr, inputrec, 1, nrnb, wcycle,
 -                 top, groups, state->box, shfc->x[Try], &state->hist,
 -                 shfc->f[Try], force_vir,
 +        do_force(fplog, cr, ms, inputrec, nullptr, enforcedRotation,
 +                 1, nrnb, wcycle,
 +                 top, groups, state->box, posWithPadding[Try], &state->hist,
 +                 forceWithPadding[Try], force_vir,
                   md, enerd, fcd, state->lambda, graph,
 -                 fr, vsite, mu_tot, t, nullptr, bBornRadii,
 +                 fr, vsite, mu_tot, t, nullptr,
-                  force_flags,
+                  shellfc_flags,
                   ddOpenBalanceRegion, ddCloseBalanceRegion);
+         sum_epot(&(enerd->grpp), enerd->term);
          if (gmx_debug_at)
          {
 -            pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: shfc->f[Min]", as_rvec_array(shfc->f[Min].data()), homenr);
 -            pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: shfc->f[Try]", as_rvec_array(shfc->f[Try].data()), homenr);
 +            pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: force[Min]", as_rvec_array(force[Min].data()), homenr);
 +            pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: force[Try]", as_rvec_array(force[Try].data()), homenr);
          }
          sf_dir = 0;
          if (nflexcon)
index f84c15268e0b9be7b1e054b5e90293266049ef3b,0000000000000000000000000000000000000000..22f9f4f7cedffa4a6e690c9e1cfd01dfb1eb88ba
mode 100644,000000..100644
--- /dev/null
@@@ -1,2985 -1,0 +1,2985 @@@
-                     energyEvaluator.run(&state_work, mu_tot, vir, pres, atom*2+dx, FALSE);
 +/*
 + * 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/domdec/partition.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
 +    PaddedVector<gmx::RVec> 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 = gmx::roundToInt(sum[2*i+1]);
 +            }
 +        }
 +        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, ems->f.rvec_array(),
 +                   &ems->fnorm, &ems->fmax, &ems->a_fmax);
 +}
 +
 +//! Initialize the energy minimization
 +static void init_em(FILE *fplog,
 +                    const gmx::MDLogger &mdlog,
 +                    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) ? state_global->x.rvec_array() : 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, mdlog, 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);
 +        ems->f.resizeWithPadding(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,
 +                          ems->s.x.rvec_array(),
 +                          ems->s.x.rvec_array(),
 +                          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);
 +
 +    if (confout != nullptr)
 +    {
 +        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) ? makeArrayRef(state_global->x) : gmx::EmptyArrayRef();
 +                dd_collect_vec(cr->dd, &state->s, makeArrayRef(state->s.x), globalXRef);
 +            }
 +        }
 +        else
 +        {
 +            /* Copy the local state pointer */
 +            state_global = &state->s;
 +        }
 +
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            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,
 +                            state_global->x.rvec_array());
 +            }
 +
 +            write_sto_conf_mtop(confout,
 +                                *top_global->name, top_global,
 +                                state_global->x.rvec_array(), 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 PaddedVector<gmx::RVec> *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);
 +        ems2->f.resizeWithPadding(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 = s1->x.rvec_array();
 +        rvec       *x2 = s2->x.rvec_array();
 +        const rvec *f  = force->rvec_array();
 +
 +        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 = s1->cg_p.rvec_array();
 +            rvec       *p2 = s2->cg_p.rvec_array();
 +#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,
 +                          s1->x.rvec_array(), s2->x.rvec_array(),
 +                          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,
 +                                   const gmx::MDLogger &mdlog,
 +                                   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, mdlog, 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 (deprecated).
 +        FILE                 *fplog;
 +        //! Handles logging.
 +        const gmx::MDLogger  &mdlog;
 +        //! 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, ems->s.x.rvec_array(), 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, mdlog, 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.arrayRefWithPadding(), &ems->s.hist,
 +             ems->f.arrayRefWithPadding(), 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 = ems->f.rvec_array();
 +        constr->apply(FALSE, FALSE,
 +                      count, 0, 1.0,
 +                      ems->s.x.rvec_array(), 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 = s_min->f.rvec_array();
 +    const rvec *fb = s_b->f.rvec_array();
 +
 +    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  = s_min->f.rvec_array();
 +        const rvec *fb  = s_b->f.rvec_array();
 +        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();
 +
 +    GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
 +        appendText("Note that activating conjugate gradient energy minimization via the "
 +                   "integrator .mdp option and the command gmx mdrun may "
 +                   "be available in a different form in a future version of GROMACS, "
 +                   "e.g. gmx minimize and an .mdp option.");
 +
 +    step = 0;
 +
 +    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, mdlog, 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, mdlog, 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. */
 +        matrix nullBox = {};
 +        upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(step),
 +                   mdatoms->tmass, enerd, nullptr, nullptr, nullptr, nullBox,
 +                   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  = s_min->s.cg_p.rvec_array();
 +        const rvec *sfm = s_min->f.rvec_array();
 +        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;
 +        auto s_min_x = makeArrayRef(s_min->s.x);
 +        for (int i = 0; i < mdatoms->homenr; i++)
 +        {
 +            for (m = 0; m < DIM; m++)
 +            {
 +                tmp = fabs(s_min_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);
 +        }
 +
 +        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, mdlog, 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  = s_c->s.cg_p.rvec_array();
 +        const rvec *sfc = s_c->f.rvec_array();
 +        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, mdlog, -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  = s_b->s.cg_p.rvec_array();
 +                const rvec *sfb = s_b->f.rvec_array();
 +                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 */
 +            matrix nullBox = {};
 +            upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(step),
 +                       mdatoms->tmass, enerd, nullptr, nullptr, nullptr, nullBox,
 +                       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, state_global->x.rvec_array(), 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();
 +
 +    GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
 +        appendText("Note that activating L-BFGS energy minimization via the "
 +                   "integrator .mdp option and the command gmx mdrun may "
 +                   "be available in a different form in a future version of GROMACS, "
 +                   "e.g. gmx minimize and an .mdp option.");
 +
 +    if (PAR(cr))
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "L-BFGS minimization only supports a single rank");
 +    }
 +
 +    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, mdlog, 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, state_global->x.rvec_array(), 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, mdlog, 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. */
 +        matrix nullBox = {};
 +        upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(step),
 +                   mdatoms->tmass, enerd, nullptr, nullptr, nullptr, nullBox,
 +                   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 *>(ems.f.rvec_array()[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 *>(ems.s.x.rvec_array()[0]);
 +        real *ff = static_cast<real *>(ems.f.rvec_array()[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 *>(last->s.x.data()[0]);
 +        real *lastf = static_cast<real *>(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 *>(sc->s.x.rvec_array()[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 *>(sc->f.rvec_array()[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 *>(sb->s.x.rvec_array()[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 *>(sb->f.rvec_array()[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 */
 +            matrix nullBox = {};
 +            upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(step),
 +                       mdatoms->tmass, enerd, nullptr, nullptr, nullptr, nullBox,
 +                       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, state_global->x.rvec_array(), 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();
 +
 +    GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
 +        appendText("Note that activating steepest-descent energy minimization via the "
 +                   "integrator .mdp option and the command gmx mdrun may "
 +                   "be available in a different form in a future version of GROMACS, "
 +                   "e.g. gmx minimize and an .mdp option.");
 +
 +    /* 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, mdlog, 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, mdlog, 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  */
 +                matrix nullBox = {};
 +                upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, static_cast<double>(count),
 +                           mdatoms->tmass, enerd, nullptr, nullptr, nullptr,
 +                           nullBox, 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, mdlog, 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) ? state_global->x.rvec_array() : 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                *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();
 +
 +    GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
 +        appendText("Note that activating normal-mode analysis via the integrator "
 +                   ".mdp option and the command gmx mdrun may "
 +                   "be available in a different form in a future version of GROMACS, "
 +                   "e.g. gmx normal-modes.");
 +
 +    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, mdlog, 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<int>       atom_index = get_atom_index(top_global);
 +    std::vector<gmx::RVec> fneg(atom_index.size(), {0, 0, 0});
 +    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, mdlog, 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;
 +    auto state_work_x = makeArrayRef(state_work.s.x);
 +    auto state_work_f = makeArrayRef(state_work.f);
 +    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_x[atom][d];
 +
 +            for (unsigned int dx = 0; (dx < 2); dx++)
 +            {
 +                if (dx == 0)
 +                {
 +                    state_work_x[atom][d] = x_min - der_range;
 +                }
 +                else
 +                {
 +                    state_work_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.arrayRefWithPadding(),
 +                                        vir,
 +                                        mdatoms,
 +                                        nrnb,
 +                                        wcycle,
 +                                        graph,
 +                                        &top_global->groups,
 +                                        shellfc,
 +                                        fr,
 +                                        t,
 +                                        mu_tot,
 +                                        vsite,
 +                                        DdOpenBalanceRegionBeforeForceComputation::no,
 +                                        DdCloseBalanceRegionAfterForceComputation::no);
 +                    bNS = false;
 +                    step++;
 +                }
 +                else
 +                {
-                 for (node = 0; (node < nnodes && atom+node < atom_index.size()); node++)
++                    energyEvaluator.run(&state_work, mu_tot, vir, pres, aid*2+dx, FALSE);
 +                }
 +
 +                cr->nnodes = nnodes;
 +
 +                if (dx == 0)
 +                {
 +                    std::copy(state_work_f.begin(), state_work_f.begin()+atom_index.size(), fneg.begin());
 +                }
 +            }
 +
 +            /* x is restored to original */
 +            state_work_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
 +            {
-                     row = (atom + node)*DIM + d;
++                for (node = 0; (node < nnodes && aid+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 = (aid + 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 5cae02848b138a833785a48c20fac5895b00eeea,0000000000000000000000000000000000000000..fa2e348914857913a6dc40fb532358743cced5b9
mode 100644,000000..100644
--- /dev/null
@@@ -1,761 -1,0 +1,773 @@@
 +/*
 + * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
 + *
 + * Copyright (c) 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 Implements the loop for simulation reruns
 + *
 + * \author Pascal Merz <pascal.merz@colorado.edu>
 + * \ingroup module_mdrun
 + */
 +#include "gmxpre.h"
 +
 +#include "config.h"
 +
 +#include <cinttypes>
 +#include <cmath>
 +#include <cstdio>
 +#include <cstdlib>
 +
 +#include <algorithm>
 +#include <memory>
 +
 +#include "gromacs/awh/awh.h"
 +#include "gromacs/commandline/filenm.h"
 +#include "gromacs/compat/make_unique.h"
 +#include "gromacs/domdec/collect.h"
 +#include "gromacs/domdec/domdec.h"
 +#include "gromacs/domdec/domdec_network.h"
 +#include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
 +#include "gromacs/domdec/partition.h"
 +#include "gromacs/essentialdynamics/edsam.h"
 +#include "gromacs/ewald/pme.h"
 +#include "gromacs/ewald/pme-load-balancing.h"
 +#include "gromacs/fileio/trxio.h"
 +#include "gromacs/gmxlib/network.h"
 +#include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
 +#include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
 +#include "gromacs/imd/imd.h"
 +#include "gromacs/listed-forces/manage-threading.h"
 +#include "gromacs/math/functions.h"
 +#include "gromacs/math/utilities.h"
 +#include "gromacs/math/vec.h"
 +#include "gromacs/math/vectypes.h"
 +#include "gromacs/mdlib/checkpointhandler.h"
 +#include "gromacs/mdlib/compute_io.h"
 +#include "gromacs/mdlib/constr.h"
 +#include "gromacs/mdlib/ebin.h"
 +#include "gromacs/mdlib/expanded.h"
 +#include "gromacs/mdlib/force.h"
 +#include "gromacs/mdlib/force_flags.h"
 +#include "gromacs/mdlib/forcerec.h"
 +#include "gromacs/mdlib/md_support.h"
 +#include "gromacs/mdlib/mdatoms.h"
 +#include "gromacs/mdlib/mdebin.h"
 +#include "gromacs/mdlib/mdoutf.h"
 +#include "gromacs/mdlib/mdrun.h"
 +#include "gromacs/mdlib/mdsetup.h"
 +#include "gromacs/mdlib/membed.h"
 +#include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
 +#include "gromacs/mdlib/nbnxn_gpu_data_mgmt.h"
 +#include "gromacs/mdlib/ns.h"
 +#include "gromacs/mdlib/resethandler.h"
 +#include "gromacs/mdlib/shellfc.h"
 +#include "gromacs/mdlib/sighandler.h"
 +#include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
 +#include "gromacs/mdlib/simulationsignal.h"
 +#include "gromacs/mdlib/stophandler.h"
 +#include "gromacs/mdlib/tgroup.h"
 +#include "gromacs/mdlib/trajectory_writing.h"
 +#include "gromacs/mdlib/update.h"
 +#include "gromacs/mdlib/vcm.h"
 +#include "gromacs/mdlib/vsite.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/awh-history.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/awh-params.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/df_history.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/energyhistory.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/forcerec.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/group.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/interaction_const.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/mdatom.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/observableshistory.h"
 +#include "gromacs/mdtypes/state.h"
 +#include "gromacs/mimic/MimicUtils.h"
 +#include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
 +#include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
 +#include "gromacs/pulling/pull.h"
 +#include "gromacs/swap/swapcoords.h"
 +#include "gromacs/timing/wallcycle.h"
 +#include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
 +#include "gromacs/topology/atoms.h"
 +#include "gromacs/topology/idef.h"
 +#include "gromacs/topology/mtop_util.h"
 +#include "gromacs/topology/topology.h"
 +#include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
 +#include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
 +#include "gromacs/utility/cstringutil.h"
 +#include "gromacs/utility/fatalerror.h"
 +#include "gromacs/utility/logger.h"
 +#include "gromacs/utility/real.h"
 +#include "gromacs/utility/smalloc.h"
 +
 +#include "integrator.h"
 +#include "replicaexchange.h"
 +
 +using gmx::SimulationSignaller;
 +
 +/*! \brief Copy the state from \p rerunFrame to \p globalState and, if requested, construct vsites
 + *
 + * \param[in]     rerunFrame      The trajectory frame to compute energy/forces for
 + * \param[in,out] globalState     The global state container
 + * \param[in]     constructVsites When true, vsite coordinates are constructed
 + * \param[in]     vsite           Vsite setup, can be nullptr when \p constructVsites = false
 + * \param[in]     idef            Topology parameters, used for constructing vsites
 + * \param[in]     timeStep        Time step, used for constructing vsites
 + * \param[in]     forceRec        Force record, used for constructing vsites
 + * \param[in,out] graph           The molecular graph, used for constructing vsites when != nullptr
 + */
 +static void prepareRerunState(const t_trxframe  &rerunFrame,
 +                              t_state           *globalState,
 +                              bool               constructVsites,
 +                              const gmx_vsite_t *vsite,
 +                              const t_idef      &idef,
 +                              double             timeStep,
 +                              const t_forcerec  &forceRec,
 +                              t_graph           *graph)
 +{
 +    auto x      = makeArrayRef(globalState->x);
 +    auto rerunX = arrayRefFromArray(reinterpret_cast<gmx::RVec *>(rerunFrame.x), globalState->natoms);
 +    std::copy(rerunX.begin(), rerunX.end(), x.begin());
 +    copy_mat(rerunFrame.box, globalState->box);
 +
 +    if (constructVsites)
 +    {
 +        GMX_ASSERT(vsite, "Need valid vsite for constructing vsites");
 +
 +        if (graph)
 +        {
 +            /* Following is necessary because the graph may get out of sync
 +             * with the coordinates if we only have every N'th coordinate set
 +             */
 +            mk_mshift(nullptr, graph, forceRec.ePBC, globalState->box, globalState->x.rvec_array());
 +            shift_self(graph, globalState->box, as_rvec_array(globalState->x.data()));
 +        }
 +        construct_vsites(vsite, globalState->x.rvec_array(), timeStep, globalState->v.rvec_array(),
 +                         idef.iparams, idef.il,
 +                         forceRec.ePBC, forceRec.bMolPBC, nullptr, globalState->box);
 +        if (graph)
 +        {
 +            unshift_self(graph, globalState->box, globalState->x.rvec_array());
 +        }
 +    }
 +}
 +
 +void gmx::Integrator::do_rerun()
 +{
 +    // TODO Historically, the EM and MD "integrators" used different
 +    // names for the t_inputrec *parameter, but these must have the
 +    // same name, now that it's a member of a struct. We use this ir
 +    // alias to avoid a large ripple of nearly useless changes.
 +    // t_inputrec is being replaced by IMdpOptionsProvider, so this
 +    // will go away eventually.
 +    t_inputrec             *ir   = inputrec;
 +    gmx_mdoutf             *outf = nullptr;
 +    int64_t                 step, step_rel;
 +    double                  t, lam0[efptNR];
 +    bool                    isLastStep               = false;
 +    bool                    doFreeEnergyPerturbation = false;
 +    int                     force_flags;
 +    tensor                  force_vir, shake_vir, total_vir, pres;
 +    t_trxstatus            *status;
 +    rvec                    mu_tot;
 +    t_trxframe              rerun_fr;
 +    gmx_localtop_t         *top;
 +    t_mdebin               *mdebin   = nullptr;
 +    gmx_enerdata_t         *enerd;
 +    PaddedVector<gmx::RVec> f {};
 +    gmx_global_stat_t       gstat;
 +    t_graph                *graph = nullptr;
 +    gmx_groups_t           *groups;
 +    gmx_ekindata_t         *ekind;
 +    gmx_shellfc_t          *shellfc;
 +
 +    double                  cycles;
 +
 +    /* Domain decomposition could incorrectly miss a bonded
 +       interaction, but checking for that requires a global
 +       communication stage, which does not otherwise happen in DD
 +       code. So we do that alongside the first global energy reduction
 +       after a new DD is made. These variables handle whether the
 +       check happens, and the result it returns. */
 +    bool              shouldCheckNumberOfBondedInteractions = false;
 +    int               totalNumberOfBondedInteractions       = -1;
 +
 +    SimulationSignals signals;
 +    // Most global communnication stages don't propagate mdrun
 +    // signals, and will use this object to achieve that.
 +    SimulationSignaller nullSignaller(nullptr, nullptr, nullptr, false, false);
 +
 +    GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
 +        appendText("Note that it is planned that the command gmx mdrun -rerun will "
 +                   "be available in a different form in a future version of GROMACS, "
 +                   "e.g. gmx rerun -f.");
 +
 +    if (ir->bExpanded)
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Expanded ensemble not supported by rerun.");
 +    }
 +    if (ir->bSimTemp)
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Simulated tempering not supported by rerun.");
 +    }
 +    if (ir->bDoAwh)
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "AWH not supported by rerun.");
 +    }
 +    if (replExParams.exchangeInterval > 0)
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Replica exchange not supported by rerun.");
 +    }
 +    if (opt2bSet("-ei", nfile, fnm) || observablesHistory->edsamHistory != nullptr)
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Essential dynamics not supported by rerun.");
 +    }
 +    if (ir->bIMD)
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Interactive MD not supported by rerun.");
 +    }
 +    if (isMultiSim(ms))
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Multiple simulations not supported by rerun.");
 +    }
 +    if (std::any_of(ir->opts.annealing, ir->opts.annealing + ir->opts.ngtc,
 +                    [](int i){return i != eannNO; }))
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Simulated annealing not supported by rerun.");
 +    }
 +
++    /* Rerun can't work if an output file name is the same as the input file name.
++     * If this is the case, the user will get an error telling them what the issue is.
++     */
++    if (strcmp(opt2fn("-rerun", nfile, fnm), opt2fn("-o", nfile, fnm)) == 0 ||
++        strcmp(opt2fn("-rerun", nfile, fnm), opt2fn("-x", nfile, fnm)) == 0)
++    {
++        gmx_fatal(FARGS, "When using mdrun -rerun, the name of the input trajectory file "
++                  "%s cannot be identical to the name of an output file (whether "
++                  "given explicitly with -o or -x, or by default)",
++                  opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
++    }
++
 +    /* Settings for rerun */
 +    ir->nstlist       = 1;
 +    ir->nstcalcenergy = 1;
 +    int        nstglobalcomm = 1;
 +    const bool bNS           = true;
 +
 +    ir->nstxout_compressed = 0;
 +    groups                 = &top_global->groups;
 +    if (ir->eI == eiMimic)
 +    {
 +        top_global->intermolecularExclusionGroup = genQmmmIndices(*top_global);
 +    }
 +
 +    /* Initial values */
 +    init_rerun(fplog, cr, outputProvider, ir, oenv, mdrunOptions,
 +               state_global, lam0, nrnb, top_global,
 +               nfile, fnm, &outf, &mdebin, wcycle);
 +
 +    /* Energy terms and groups */
 +    snew(enerd, 1);
 +    init_enerdata(top_global->groups.grps[egcENER].nr, ir->fepvals->n_lambda,
 +                  enerd);
 +
 +    /* Kinetic energy data */
 +    snew(ekind, 1);
 +    init_ekindata(fplog, top_global, &(ir->opts), ekind);
 +    /* Copy the cos acceleration to the groups struct */
 +    ekind->cosacc.cos_accel = ir->cos_accel;
 +
 +    gstat = global_stat_init(ir);
 +
 +    /* Check for polarizable models and flexible constraints */
 +    shellfc = init_shell_flexcon(fplog,
 +                                 top_global, constr ? constr->numFlexibleConstraints() : 0,
 +                                 ir->nstcalcenergy, DOMAINDECOMP(cr));
 +
 +    {
 +        double io = compute_io(ir, top_global->natoms, groups, mdebin->ebin->nener, 1);
 +        if ((io > 2000) && MASTER(cr))
 +        {
 +            fprintf(stderr,
 +                    "\nWARNING: This run will generate roughly %.0f Mb of data\n\n",
 +                    io);
 +        }
 +    }
 +
 +    // Local state only becomes valid now.
 +    std::unique_ptr<t_state> stateInstance;
 +    t_state *                state;
 +
 +    if (DOMAINDECOMP(cr))
 +    {
 +        top = dd_init_local_top(top_global);
 +
 +        stateInstance = compat::make_unique<t_state>();
 +        state         = stateInstance.get();
 +        dd_init_local_state(cr->dd, state_global, state);
 +
 +        /* Distribute the charge groups over the nodes from the master node */
 +        dd_partition_system(fplog, mdlog, ir->init_step, cr, TRUE, 1,
 +                            state_global, top_global, ir,
 +                            state, &f, mdAtoms, top, fr,
 +                            vsite, constr,
 +                            nrnb, nullptr, FALSE);
 +        shouldCheckNumberOfBondedInteractions = true;
 +    }
 +    else
 +    {
 +        state_change_natoms(state_global, state_global->natoms);
 +        /* We need to allocate one element extra, since we might use
 +         * (unaligned) 4-wide SIMD loads to access rvec entries.
 +         */
 +        f.resizeWithPadding(state_global->natoms);
 +        /* Copy the pointer to the global state */
 +        state = state_global;
 +
 +        snew(top, 1);
 +        mdAlgorithmsSetupAtomData(cr, ir, top_global, top, fr,
 +                                  &graph, mdAtoms, constr, vsite, shellfc);
 +    }
 +
 +    auto mdatoms = mdAtoms->mdatoms();
 +
 +    // NOTE: The global state is no longer used at this point.
 +    // But state_global is still used as temporary storage space for writing
 +    // the global state to file and potentially for replica exchange.
 +    // (Global topology should persist.)
 +
 +    update_mdatoms(mdatoms, state->lambda[efptMASS]);
 +
 +    if (ir->efep != efepNO && ir->fepvals->nstdhdl != 0)
 +    {
 +        doFreeEnergyPerturbation = true;
 +    }
 +
 +    {
 +        int    cglo_flags = (CGLO_INITIALIZATION | CGLO_GSTAT |
 +                             (shouldCheckNumberOfBondedInteractions ? CGLO_CHECK_NUMBER_OF_BONDED_INTERACTIONS : 0));
 +        bool   bSumEkinhOld = false;
 +        t_vcm *vcm          = nullptr;
 +        compute_globals(fplog, gstat, cr, ir, fr, ekind, state, mdatoms, nrnb, vcm,
 +                        nullptr, enerd, force_vir, shake_vir, total_vir, pres, mu_tot,
 +                        constr, &nullSignaller, state->box,
 +                        &totalNumberOfBondedInteractions, &bSumEkinhOld, cglo_flags);
 +    }
 +    checkNumberOfBondedInteractions(mdlog, cr, totalNumberOfBondedInteractions,
 +                                    top_global, top, state,
 +                                    &shouldCheckNumberOfBondedInteractions);
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        fprintf(stderr, "starting md rerun '%s', reading coordinates from"
 +                " input trajectory '%s'\n\n",
 +                *(top_global->name), opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
 +        if (mdrunOptions.verbose)
 +        {
 +            fprintf(stderr, "Calculated time to finish depends on nsteps from "
 +                    "run input file,\nwhich may not correspond to the time "
 +                    "needed to process input trajectory.\n\n");
 +        }
 +        fprintf(fplog, "\n");
 +    }
 +
 +    walltime_accounting_start_time(walltime_accounting);
 +    wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 +    print_start(fplog, cr, walltime_accounting, "mdrun");
 +
 +    /***********************************************************
 +     *
 +     *             Loop over MD steps
 +     *
 +     ************************************************************/
 +
 +    if (constr)
 +    {
 +        GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
 +            appendText("Simulations has constraints. Rerun does not recalculate constraints.");
 +    }
 +
 +    rerun_fr.natoms = 0;
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        isLastStep = !read_first_frame(oenv, &status,
 +                                       opt2fn("-rerun", nfile, fnm),
 +                                       &rerun_fr, TRX_NEED_X);
 +        if (rerun_fr.natoms != top_global->natoms)
 +        {
 +            gmx_fatal(FARGS,
 +                      "Number of atoms in trajectory (%d) does not match the "
 +                      "run input file (%d)\n",
 +                      rerun_fr.natoms, top_global->natoms);
 +        }
 +
 +        if (ir->ePBC != epbcNONE)
 +        {
 +            if (!rerun_fr.bBox)
 +            {
 +                gmx_fatal(FARGS, "Rerun trajectory frame step %" PRId64 " time %f "
 +                          "does not contain a box, while pbc is used",
 +                          rerun_fr.step, rerun_fr.time);
 +            }
 +            if (max_cutoff2(ir->ePBC, rerun_fr.box) < gmx::square(fr->rlist))
 +            {
 +                gmx_fatal(FARGS, "Rerun trajectory frame step %" PRId64 " time %f "
 +                          "has too small box dimensions", rerun_fr.step, rerun_fr.time);
 +            }
 +        }
 +    }
 +
 +    GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
 +        appendText("Rerun does not report kinetic energy, total energy, temperature, virial and pressure.");
 +
 +    if (PAR(cr))
 +    {
 +        rerun_parallel_comm(cr, &rerun_fr, &isLastStep);
 +    }
 +
 +    if (ir->ePBC != epbcNONE)
 +    {
 +        /* Set the shift vectors.
 +         * Necessary here when have a static box different from the tpr box.
 +         */
 +        calc_shifts(rerun_fr.box, fr->shift_vec);
 +    }
 +
 +    auto stopHandler = stopHandlerBuilder->getStopHandlerMD(
 +                compat::not_null<SimulationSignal*>(&signals[eglsSTOPCOND]), false,
 +                MASTER(cr), ir->nstlist, mdrunOptions.reproducible, nstglobalcomm,
 +                mdrunOptions.maximumHoursToRun, ir->nstlist == 0, fplog, step, bNS, walltime_accounting);
 +
 +    // we don't do counter resetting in rerun - finish will always be valid
 +    walltime_accounting_set_valid_finish(walltime_accounting);
 +
 +    DdOpenBalanceRegionBeforeForceComputation ddOpenBalanceRegion   = (DOMAINDECOMP(cr) ? DdOpenBalanceRegionBeforeForceComputation::yes : DdOpenBalanceRegionBeforeForceComputation::no);
 +    DdCloseBalanceRegionAfterForceComputation ddCloseBalanceRegion  = (DOMAINDECOMP(cr) ? DdCloseBalanceRegionAfterForceComputation::yes : DdCloseBalanceRegionAfterForceComputation::no);
 +
 +    step     = ir->init_step;
 +    step_rel = 0;
 +
 +    /* and stop now if we should */
 +    isLastStep = (isLastStep || (ir->nsteps >= 0 && step_rel > ir->nsteps));
 +    while (!isLastStep)
 +    {
 +        wallcycle_start(wcycle, ewcSTEP);
 +
 +        if (rerun_fr.bStep)
 +        {
 +            step     = rerun_fr.step;
 +            step_rel = step - ir->init_step;
 +        }
 +        if (rerun_fr.bTime)
 +        {
 +            t = rerun_fr.time;
 +        }
 +        else
 +        {
 +            t = step;
 +        }
 +
 +        if (ir->efep != efepNO && MASTER(cr))
 +        {
 +            setCurrentLambdasRerun(step, ir->fepvals, &rerun_fr, lam0, state_global);
 +        }
 +
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            const bool constructVsites = ((vsite != nullptr) && mdrunOptions.rerunConstructVsites);
 +            if (constructVsites && DOMAINDECOMP(cr))
 +            {
 +                gmx_fatal(FARGS, "Vsite recalculation with -rerun is not implemented with domain decomposition, "
 +                          "use a single rank");
 +            }
 +            prepareRerunState(rerun_fr, state_global, constructVsites, vsite, top->idef, ir->delta_t, *fr, graph);
 +        }
 +
 +        isLastStep = isLastStep || stopHandler->stoppingAfterCurrentStep(bNS);
 +
 +        if (DOMAINDECOMP(cr))
 +        {
 +            /* Repartition the domain decomposition */
 +            const bool bMasterState = true;
 +            dd_partition_system(fplog, mdlog, step, cr,
 +                                bMasterState, nstglobalcomm,
 +                                state_global, top_global, ir,
 +                                state, &f, mdAtoms, top, fr,
 +                                vsite, constr,
 +                                nrnb, wcycle,
 +                                mdrunOptions.verbose);
 +            shouldCheckNumberOfBondedInteractions = true;
 +        }
 +
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            print_ebin_header(fplog, step, t); /* can we improve the information printed here? */
 +        }
 +
 +        if (ir->efep != efepNO)
 +        {
 +            update_mdatoms(mdatoms, state->lambda[efptMASS]);
 +        }
 +
 +        force_flags = (GMX_FORCE_STATECHANGED |
 +                       GMX_FORCE_DYNAMICBOX |
 +                       GMX_FORCE_ALLFORCES |
 +                       (GMX_GPU ? GMX_FORCE_VIRIAL : 0) |  // TODO: Get rid of this once #2649 is solved
 +                       GMX_FORCE_ENERGY |
 +                       (doFreeEnergyPerturbation ? GMX_FORCE_DHDL : 0));
 +
 +        if (shellfc)
 +        {
 +            /* Now is the time to relax the shells */
 +            relax_shell_flexcon(fplog, cr, ms, mdrunOptions.verbose,
 +                                enforcedRotation, step,
 +                                ir, bNS, force_flags, top,
 +                                constr, enerd, fcd,
 +                                state, f.arrayRefWithPadding(), force_vir, mdatoms,
 +                                nrnb, wcycle, graph, groups,
 +                                shellfc, fr, t, mu_tot,
 +                                vsite,
 +                                ddOpenBalanceRegion, ddCloseBalanceRegion);
 +        }
 +        else
 +        {
 +            /* The coordinates (x) are shifted (to get whole molecules)
 +             * in do_force.
 +             * This is parallellized as well, and does communication too.
 +             * Check comments in sim_util.c
 +             */
 +            Awh       *awh = nullptr;
 +            gmx_edsam *ed  = nullptr;
 +            do_force(fplog, cr, ms, ir, awh, enforcedRotation,
 +                     step, nrnb, wcycle, top, groups,
 +                     state->box, state->x.arrayRefWithPadding(), &state->hist,
 +                     f.arrayRefWithPadding(), force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 +                     state->lambda, graph,
 +                     fr, vsite, mu_tot, t, ed,
 +                     GMX_FORCE_NS | force_flags,
 +                     ddOpenBalanceRegion, ddCloseBalanceRegion);
 +        }
 +
 +        /* Now we have the energies and forces corresponding to the
 +         * coordinates at time t.
 +         */
 +        {
 +            const bool isCheckpointingStep = false;
 +            const bool doRerun             = true;
 +            const bool bSumEkinhOld        = false;
 +            do_md_trajectory_writing(fplog, cr, nfile, fnm, step, step_rel, t,
 +                                     ir, state, state_global, observablesHistory,
 +                                     top_global, fr,
 +                                     outf, mdebin, ekind, f,
 +                                     isCheckpointingStep, doRerun, isLastStep,
 +                                     mdrunOptions.writeConfout,
 +                                     bSumEkinhOld);
 +        }
 +
 +        stopHandler->setSignal();
 +
 +        if (graph)
 +        {
 +            /* Need to unshift here */
 +            unshift_self(graph, state->box, as_rvec_array(state->x.data()));
 +        }
 +
 +        if (vsite != nullptr)
 +        {
 +            wallcycle_start(wcycle, ewcVSITECONSTR);
 +            if (graph != nullptr)
 +            {
 +                shift_self(graph, state->box, as_rvec_array(state->x.data()));
 +            }
 +            construct_vsites(vsite, as_rvec_array(state->x.data()), ir->delta_t, as_rvec_array(state->v.data()),
 +                             top->idef.iparams, top->idef.il,
 +                             fr->ePBC, fr->bMolPBC, cr, state->box);
 +
 +            if (graph != nullptr)
 +            {
 +                unshift_self(graph, state->box, as_rvec_array(state->x.data()));
 +            }
 +            wallcycle_stop(wcycle, ewcVSITECONSTR);
 +        }
 +
 +        {
 +            const bool          doInterSimSignal = false;
 +            const bool          doIntraSimSignal = true;
 +            bool                bSumEkinhOld     = false;
 +            t_vcm              *vcm              = nullptr;
 +            SimulationSignaller signaller(&signals, cr, ms, doInterSimSignal, doIntraSimSignal);
 +
 +            compute_globals(fplog, gstat, cr, ir, fr, ekind, state, mdatoms, nrnb, vcm,
 +                            wcycle, enerd, force_vir, shake_vir, total_vir, pres, mu_tot,
 +                            constr, &signaller,
 +                            state->box,
 +                            &totalNumberOfBondedInteractions, &bSumEkinhOld,
 +                            CGLO_GSTAT | CGLO_ENERGY
 +                            | (shouldCheckNumberOfBondedInteractions ? CGLO_CHECK_NUMBER_OF_BONDED_INTERACTIONS : 0)
 +                            );
 +            checkNumberOfBondedInteractions(mdlog, cr, totalNumberOfBondedInteractions,
 +                                            top_global, top, state,
 +                                            &shouldCheckNumberOfBondedInteractions);
 +        }
 +
 +        /* Note: this is OK, but there are some numerical precision issues with using the convergence of
 +           the virial that should probably be addressed eventually. state->veta has better properies,
 +           but what we actually need entering the new cycle is the new shake_vir value. Ideally, we could
 +           generate the new shake_vir, but test the veta value for convergence.  This will take some thought. */
 +
 +        if (ir->efep != efepNO)
 +        {
 +            /* Sum up the foreign energy and dhdl terms for md and sd.
 +               Currently done every step so that dhdl is correct in the .edr */
 +            sum_dhdl(enerd, state->lambda, ir->fepvals);
 +        }
 +
 +        /* Output stuff */
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            const bool bCalcEnerStep = true;
 +            upd_mdebin(mdebin, doFreeEnergyPerturbation, bCalcEnerStep,
 +                       t, mdatoms->tmass, enerd, state,
 +                       ir->fepvals, ir->expandedvals, rerun_fr.box,
 +                       shake_vir, force_vir, total_vir, pres,
 +                       ekind, mu_tot, constr);
 +
 +            const bool do_ene = true;
 +            const bool do_log = true;
 +            Awh       *awh    = nullptr;
 +            const bool do_dr  = ir->nstdisreout != 0;
 +            const bool do_or  = ir->nstorireout != 0;
 +
 +            print_ebin(mdoutf_get_fp_ene(outf), do_ene, do_dr, do_or, do_log ? fplog : nullptr,
 +                       step, t,
 +                       eprNORMAL, mdebin, fcd, groups, &(ir->opts), awh);
 +
 +            if (do_per_step(step, ir->nstlog))
 +            {
 +                if (fflush(fplog) != 0)
 +                {
 +                    gmx_fatal(FARGS, "Cannot flush logfile - maybe you are out of disk space?");
 +                }
 +            }
 +        }
 +
 +        /* Print the remaining wall clock time for the run */
 +        if (isMasterSimMasterRank(ms, cr) &&
 +            (mdrunOptions.verbose || gmx_got_usr_signal()))
 +        {
 +            if (shellfc)
 +            {
 +                fprintf(stderr, "\n");
 +            }
 +            print_time(stderr, walltime_accounting, step, ir, cr);
 +        }
 +
 +        /* Ion/water position swapping.
 +         * Not done in last step since trajectory writing happens before this call
 +         * in the MD loop and exchanges would be lost anyway. */
 +        if ((ir->eSwapCoords != eswapNO) && (step > 0) && !isLastStep &&
 +            do_per_step(step, ir->swap->nstswap))
 +        {
 +            const bool doRerun = true;
 +            do_swapcoords(cr, step, t, ir, wcycle,
 +                          rerun_fr.x,
 +                          rerun_fr.box,
 +                          MASTER(cr) && mdrunOptions.verbose,
 +                          doRerun);
 +        }
 +
 +        if (MASTER(cr))
 +        {
 +            /* read next frame from input trajectory */
 +            isLastStep = !read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
 +        }
 +
 +        if (PAR(cr))
 +        {
 +            rerun_parallel_comm(cr, &rerun_fr, &isLastStep);
 +        }
 +
 +        cycles = wallcycle_stop(wcycle, ewcSTEP);
 +        if (DOMAINDECOMP(cr) && wcycle)
 +        {
 +            dd_cycles_add(cr->dd, cycles, ddCyclStep);
 +        }
 +
 +        if (!rerun_fr.bStep)
 +        {
 +            /* increase the MD step number */
 +            step++;
 +            step_rel++;
 +        }
 +    }
 +    /* End of main MD loop */
 +
 +    /* Closing TNG files can include compressing data. Therefore it is good to do that
 +     * before stopping the time measurements. */
 +    mdoutf_tng_close(outf);
 +
 +    /* Stop measuring walltime */
 +    walltime_accounting_end_time(walltime_accounting);
 +
 +    if (MASTER(cr))
 +    {
 +        close_trx(status);
 +    }
 +
 +    if (!thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME))
 +    {
 +        /* Tell the PME only node to finish */
 +        gmx_pme_send_finish(cr);
 +    }
 +
 +    done_mdebin(mdebin);
 +    done_mdoutf(outf);
 +
 +    done_shellfc(fplog, shellfc, step_rel);
 +
 +    // Clean up swapcoords
 +    if (ir->eSwapCoords != eswapNO)
 +    {
 +        finish_swapcoords(ir->swap);
 +    }
 +
 +    walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, step_rel);
 +
 +    destroy_enerdata(enerd);
 +    sfree(enerd);
 +    sfree(top);
 +}
index cea904562fa86ea70bd26cb129d07e43ef1030a5,bad5ca3afd1432c07675cfb20c19e722abf23ef7..aff5c43eac33ed90b9b6f57b47dbdbe8ce0a66e9
@@@ -1230,14 -1008,14 +1230,14 @@@ t_topology gmx_mtop_t_to_t_topology(gmx
      return top;
  }
  
 -std::vector<size_t> get_atom_index(const gmx_mtop_t *mtop)
 +std::vector<int> get_atom_index(const gmx_mtop_t *mtop)
  {
  
 -    std::vector<size_t>      atom_index;
 -    gmx_mtop_atomloop_all_t  aloop = gmx_mtop_atomloop_all_init(mtop);
 -    const t_atom            *atom;
 -    int                      at_global;
 +    std::vector<int>          atom_index;
-     gmx_mtop_atomloop_block_t aloopb = gmx_mtop_atomloop_block_init(mtop);
++    gmx_mtop_atomloop_all_t   aloop = gmx_mtop_atomloop_all_init(mtop);
 +    const t_atom             *atom;
-     int                       nmol, j = 0;
-     while (gmx_mtop_atomloop_block_next(aloopb, &atom, &nmol))
++    int                       at_global;
+     while (gmx_mtop_atomloop_all_next(aloop, &at_global, &atom))
      {
          if (atom->ptype == eptAtom)
          {