course/semester2/pprog/assignment0/nbody.c

   1 /**
   2  * @file nbody.c
   3  * @purpose Implementations for N-Body simulator
   4  * @author Sam Moore
   5  * @date August 2012
   6  */
   7
   8 #include <assert.h> // To make sure I don't do anything stupid.
   9 #include <math.h> //For maths and stuff
  10 #include <stdio.h> //For writing data to files
  11 #include "nbody.h" //Declarations of functions and structures in this file
  12
  13 // --- Body functions --- //
  14
  15 /**
  16  * @function Body_Init
  17  * @purpose Initialise a Body object with mass, position and velocity
  18  * @param body - Target Body
  19  * @param m - The mass of the Body
  20  * @param x[...] - The position vector of the body
  21  * @param v[...] - The velocity vector of the body
  22  */
  23 void Body_Init(Body * body, float m, float x[DIMENSIONS], float v[DIMENSIONS])
  24 {
  25         assert(body != NULL);
  26         body->m = m;
  27         for (unsigned i = 0; i < DIMENSIONS; ++i)
  28         {
  29                 body->x[i] = x[i];
  30                 body->v[i] = v[i];
  31                 body->F[i] = 0.00;
  32         }
  33         body->exists = true;
  34 }
  35
  36 /**
  37  * @function Body_Destroy
  38  * @purpose Destroy a Body
  39  * @param body - Target Body
  40  */
  41 void Body_Destroy(Body * body)
  42 {
  43         assert(body != NULL);
  44         body->exists = false;
  45 }
  46
  47 /**
  48  * @function Body_Step
  49  * @purpose Perform a single step, updating target Body
  50  * @param body - Target Body
  51  * @param system - System that the Body is part of (used for universal constants, etc)
  52  */
  53 void Body_Step(Body * body, System * system)
  54 {
  55         assert(body != NULL && system != NULL && body->exists);
  56
  57         //fprintf(stderr, "DEBUG - Body %p\t%d\n", (void*)(body), body->exists);
  58         for (unsigned i = 0; i < DIMENSIONS; ++i)
  59         {
  60                 body->x[i] += body->v[i] * system->dt; //Update the position vector
  61                 body->v[i] += (body->F[i] / body->m) * system->dt; //Update the velocity vector
  62                 body->F[i] = 0.00; //Reset the net force vector
  63         }
  64
  65         //Do collision checking
  66
  67 }
  68
  69 /**
  70  * @function Body_Force
  71  * @purpose Update the net force on Body A due to Body B
  72  * @param A - Body to update; subject of force from B
  73  * @param B - Body causing force on A; NOT CHANGED BY THIS FUNCTION
  74  * @param system - System which Body A is a part of (used for universal constants, etc)
  75  */
  76 void Body_Force(Body * A, Body * B, System * system)
  77 {
  78
  79         assert(A != NULL && B != NULL && system != NULL && A->exists && B->exists);
  80         if (A == B)
  81                 return;
  82
  83         float r2 = 0.00;
  84         for (unsigned i = 0; i < DIMENSIONS; ++i)
  85                 r2 += powf((B->x[i] - A->x[i]), 2);
  86
  87         float k = system->G * (A->m * B->m) / powf(r2, 1.50);
  88         for (unsigned i = 0; i < DIMENSIONS; ++i)
  89                 A->F[i] += k * (B->x[i] - A->x[i]);
  90
  91 }
  92
  93 /**
  94  * @function Body_Radius
  95  * @purpose Calculate the radius of a body
  96  * @param body - Target Body
  97  * @returns The radius of body
  98  */
  99 float Body_Radius(Body * body)
 100 {
 101         assert(body != NULL && body->exists);
 102         float radius = 5.0;
 103         return radius;
 104 }
 105
 106 /**
 107  * @function Body_WriteData
 108  * @purpose Write data about the Body to a file
 109  * @param body - The target Body
 110  * @param system - System to which the Body belongs
 111  * @param file - File to write data to
 112  */
 113 void Body_WriteData(Body * body, System * system, FILE * file)
 114 {
 115         assert(body != NULL && system != NULL && file != NULL && body->exists);
 116         fprintf(file,"%d\t%p\t%f", system->step, (void*)(body), body->m);
 117         for (unsigned i = 0; i < DIMENSIONS; ++i)
 118                 fprintf(file,"\t%f", body->x[i]);
 119         for (unsigned i = 0; i < DIMENSIONS; ++i)
 120                 fprintf(file,"\t%f", body->v[i]);
 121         for (unsigned i = 0; i < DIMENSIONS; ++i)
 122                 fprintf(file,"\t%f", body->F[i]);
 123
 124         fprintf(file,"\n");
 125
 126 }
 127
 128 // --- System functions --- //
 129
 130 /**
 131  * @function System_Init
 132  * @purpose Initialise a System object
 133  * @param system - Target System
 134  * @param x - The origin of the System (currently used for offset of graphics)
 135  * @param dt - Time step
 136  * @param G - Universal Gravitational Constant
 137  * @param nMax - Number of Body objects this System will contain (DEFAULT = 10)
 138  */
 139 void System_Init(System * system, float x[DIMENSIONS], float dt, float G, unsigned nMax)
 140 {
 141         assert(system != NULL);
 142         for (unsigned i = 0; i < DIMENSIONS; ++i)
 143                 system->x[i] = x[i];
 144
 145
 146         system->dt = dt;
 147         system->G = G;
 148         system->nMax = nMax;
 149         system->n = 0;
 150
 151         system->bodies = (Body*)(calloc(sizeof(Body), nMax)); //Allocate space for nMax bodies
 152         for (unsigned a = 0; a < nMax; ++a)
 153                 (system->bodies+a)->exists = false;
 154 }
 155
 156 /**
 157  * @function System_Destroy
 158  * @purpose Destroy all Bodies in a system
 159  * @param system - Target system
 160  */
 161
 162 void System_Destroy(System * system)
 163 {
 164         assert(system != NULL);
 165         if (system->bodies != NULL)
 166                 free(system->bodies);
 167         system->nMax = 0;
 168 }
 169
 170 /**
 171  * @function System_Step
 172  * @purpose Compute single step for all Bodies in System
 173  * @param system - Target system
 174  */
 175 void System_Step(System * system)
 176 {
 177         assert(system != NULL);
 178
 179         // Update forces
 180         for (unsigned a = 0; a < system->nMax; ++a)
 181         {
 182                 if (system->bodies[a].exists)
 183                 {
 184                         for (unsigned b = 0; b < system->nMax; ++b)
 185                         {
 186                                 //fprintf(stderr, "DEBUG1 - %p\t%p\t%d\t%d\n", (void*)(system->bodies+a), (void*)(system->bodies+b), system->bodies[a].exists, system->bodies[b].exists);
 187                                 if (system->bodies[b].exists)
 188                                 {
 189                                         //fprintf(stderr, "DEBUG2 - %p\t%p\t%d\t%d\n", (void*)(system->bodies+a), (void*)(system->bodies+b), system->bodies[a].exists, system->bodies[b].exists);
 190                                         Body_Force(&(system->bodies[a]), &(system->bodies[b]), system); //Update force on bodies[a] due to bodies[b]
 191                                         //fprintf(stderr, "DEBUG3 - %p\t%p\t%d\t%d\n", (void*)(system->bodies+a), (void*)(system->bodies+b), system->bodies[a].exists, system->bodies[b].exists);
 192                                 }
 193                         }
 194                 }
 195         }
 196
 197         // Perform steps
 198         for (unsigned a = 0; a < system->nMax; ++a)
 199         {
 200                 if ((system->bodies+a)->exists)
 201                         Body_Step(system->bodies+a, system);
 202         }
 203 }
 204
 205 /**
 206  * @function System_AddBody
 207  * @purpose Add a Body to a System. Resizes the System's bodies array if necessary.
 208  * @param system - Target System
 209  * @param m - Mass of the new Body
 210  * @param x[...] - position vector for the new Body
 211  * @param v[...] - velocity vector for the new Body
 212  * @returns Pointer to new Body
 213  */
 214
 215 Body * System_AddBody(System * system, float m, float x[DIMENSIONS], float v[DIMENSIONS])
 216 {
 217         assert(system != NULL);
 218
 219         unsigned a = 0;
 220         for (a = 0; a < system->nMax; ++a)
 221         {
 222                 if (!(system->bodies+a)->exists)
 223                         break;
 224         }
 225
 226         if (a >= system->nMax)
 227         {
 228                 system->nMax = (system->nMax+1) * 2;
 229                 system->bodies = (Body*)(realloc(system->bodies, sizeof(Body) * system->nMax));
 230                 for (unsigned b = a; b < system->nMax; ++b)
 231                         (system->bodies+b)->exists = false;
 232         }
 233
 234         Body_Init(system->bodies+a, m, x, v);
 235         system->n += 1;
 236
 237         return (system->bodies+a);
 238
 239 }
 240
 241 /**
 242  * @function System_WriteData
 243  * @purpose Write all information about System to a file
 244  * @param system - Target System
 245  * @param file - Target FILE (must be opened for writing)
 246  */
 247 void System_WriteData(System * system, FILE * file)
 248 {
 249         assert(system != NULL && file != NULL);
 250         for (unsigned a = 0; a < system->nMax; ++a)
 251         {
 252                 if ((system->bodies+a)->exists)
 253                         Body_WriteData(system->bodies+a, system, file);
 254         }
 255         fprintf(file, "\n");
 256
 257 }
 258
 259 // --- Graphical functions --- //
 260
 261 #ifdef _GRAPHICS_H
 262
 263 /**
 264  * @function Body_Draw
 265  * @purpose Draw an individual Body
 266  * @param body - Target Body
 267  * @param system - System to which the Body belongs
 268  */
 269
 270 void Body_Draw(Body * body, System * system)
 271 {
 272         assert(body != NULL && system != NULL && body->exists);
 273         int pixel_pos[DIMENSIONS];
 274         for (unsigned i = 0; i < DIMENSIONS; ++i)
 275                 pixel_pos[i] = (int)(system->x[i] - body->x[i]);
 276
 277         float rgb[3] = {0.0f, 0.0f, 0.0f};
 278         if (body->m >= 100.0)
 279         {
 280                 rgb[0] = 0.0f; rgb[1] = 0.0f; rgb[2] = 1.0f;
 281         }
 282         if (body->m >= 10.0)
 283         {
 284                 rgb[0] = 0.5f; rgb[1] = 0.5f; rgb[2] = 1.0f;
 285         }
 286         else if (body->m >= 1.0)
 287         {
 288                 rgb[0] = 0.8f; rgb[1] = 0.2f; rgb[2] = 0.1f;
 289         }
 290         else if (body->m >= 0.1)
 291         {
 292                 rgb[0] = 0.0f; rgb[1] = 0.5f; rgb[2] = 0.0f;
 293         }
 294         else if (body->m >= 0.01)
 295         {
 296                 rgb[0] = 0.5f; rgb[1] = 0.5f; rgb[2] = 0.5f;
 297         }
 298
 299
 300         Graphics_Circle(pixel_pos,Body_Radius(body), rgb[0], rgb[1], rgb[2]);
 301
 302         //fprintf(stdout, "DEBUG - Body_Draw - Called\n");
 303 }
 304
 305 /**
 306  * @function System_Draw
 307  * @purpose Draw a System of Bodies
 308  * @param system - Target System to draw
 309  */
 310 void System_Draw(System * system)
 311 {
 312         assert(system != NULL);
 313         for (unsigned a = 0; a < system->nMax; ++a)
 314         {
 315                 if ((system->bodies+a)->exists)
 316                         Body_Draw(system->bodies+a, system);
 317         }
 318 }
 319
 320 /**
 321  * @function Process_Events
 322  * @purpose Handle any SDL events recieved.
 323  */
 324 void Process_Events()
 325 {
 326         SDL_Event event;
 327         while (SDL_PollEvent(&event))
 328         {
 329                 switch(event.type)
 330                 {
 331                         case SDL_QUIT:
 332                                 exit(EXIT_SUCCESS);
 333                                 break;
 334                 }
 335         }
 336         //SDL_Delay(1);
 337 }
 338
 339 #endif //_GRAPHICS_H
 340
 341 //EOF
 342
 343