UCI_Elo implementation (#2225)
[stockfish] / src / search.cpp
1 /*
2   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
3   Copyright (C) 2004-2008 Tord Romstad (Glaurung author)
4   Copyright (C) 2008-2015 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5   Copyright (C) 2015-2019 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
6
7   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
10   (at your option) any later version.
11
12   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15   GNU General Public License for more details.
16
17   You should have received a copy of the GNU General Public License
18   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19 */
20
21 #include <algorithm>
22 #include <cassert>
23 #include <cmath>
24 #include <cstring>   // For std::memset
25 #include <iostream>
26 #include <sstream>
27
28 #include "evaluate.h"
29 #include "misc.h"
30 #include "movegen.h"
31 #include "movepick.h"
32 #include "position.h"
33 #include "search.h"
34 #include "thread.h"
35 #include "timeman.h"
36 #include "tt.h"
37 #include "uci.h"
38 #include "syzygy/tbprobe.h"
39
40 namespace Search {
41
42   LimitsType Limits;
43 }
44
45 namespace Tablebases {
46
47   int Cardinality;
48   bool RootInTB;
49   bool UseRule50;
50   Depth ProbeDepth;
51 }
52
53 namespace TB = Tablebases;
54
55 using std::string;
56 using Eval::evaluate;
57 using namespace Search;
58
59 namespace {
60
61   // Different node types, used as a template parameter
62   enum NodeType { NonPV, PV };
63
64   // Razor and futility margins
65   constexpr int RazorMargin = 600;
66   Value futility_margin(Depth d, bool improving) {
67     return Value((175 - 50 * improving) * d / ONE_PLY);
68   }
69
70   // Reductions lookup table, initialized at startup
71   int Reductions[MAX_MOVES]; // [depth or moveNumber]
72
73   Depth reduction(bool i, Depth d, int mn) {
74     int r = Reductions[d / ONE_PLY] * Reductions[mn];
75     return ((r + 512) / 1024 + (!i && r > 1024)) * ONE_PLY;
76   }
77
78   constexpr int futility_move_count(bool improving, int depth) {
79     return (5 + depth * depth) * (1 + improving) / 2;
80   }
81
82   // History and stats update bonus, based on depth
83   int stat_bonus(Depth depth) {
84     int d = depth / ONE_PLY;
85     return d > 17 ? 0 : 29 * d * d + 138 * d - 134;
86   }
87
88   // Add a small random component to draw evaluations to avoid 3fold-blindness
89   Value value_draw(Depth depth, Thread* thisThread) {
90     return depth < 4 * ONE_PLY ? VALUE_DRAW
91                                : VALUE_DRAW + Value(2 * (thisThread->nodes & 1) - 1);
92   }
93
94   // Skill structure is used to implement strength limit
95   struct Skill {
96     explicit Skill(int l) : level(l) {}
97     bool enabled() const { return level < 20; }
98     bool time_to_pick(Depth depth) const { return depth / ONE_PLY == 1 + level; }
99     Move pick_best(size_t multiPV);
100
101     int level;
102     Move best = MOVE_NONE;
103   };
104
105   // Breadcrumbs are used to mark nodes as being searched by a given thread.
106   struct Breadcrumb {
107     std::atomic<Thread*> thread;
108     std::atomic<Key> key;
109   };
110   std::array<Breadcrumb, 1024> breadcrumbs;
111
112   // ThreadHolding keeps track of which thread left breadcrumbs at the given node for potential reductions.
113   // A free node will be marked upon entering the moves loop, and unmarked upon leaving that loop, by the ctor/dtor of this struct.
114   struct ThreadHolding {
115     explicit ThreadHolding(Thread* thisThread, Key posKey, int ply) {
116        location = ply < 8 ? &breadcrumbs[posKey & (breadcrumbs.size() - 1)] : nullptr;
117        otherThread = false;
118        owning = false;
119        if (location)
120        {
121           // see if another already marked this location, if not, mark it ourselves.
122           Thread* tmp = (*location).thread.load(std::memory_order_relaxed);
123           if (tmp == nullptr)
124           {
125               (*location).thread.store(thisThread, std::memory_order_relaxed);
126               (*location).key.store(posKey, std::memory_order_relaxed);
127               owning = true;
128           }
129           else if (   tmp != thisThread
130                    && (*location).key.load(std::memory_order_relaxed) == posKey)
131               otherThread = true;
132        }
133     }
134
135     ~ThreadHolding() {
136        if (owning) // free the marked location.
137            (*location).thread.store(nullptr, std::memory_order_relaxed);
138     }
139
140     bool marked() { return otherThread; }
141
142     private:
143     Breadcrumb* location;
144     bool otherThread, owning;
145   };
146
147   template <NodeType NT>
148   Value search(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth, bool cutNode);
149
150   template <NodeType NT>
151   Value qsearch(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth = DEPTH_ZERO);
152
153   Value value_to_tt(Value v, int ply);
154   Value value_from_tt(Value v, int ply);
155   void update_pv(Move* pv, Move move, Move* childPv);
156   void update_continuation_histories(Stack* ss, Piece pc, Square to, int bonus);
157   void update_quiet_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move move, Move* quiets, int quietCount, int bonus);
158   void update_capture_stats(const Position& pos, Move move, Move* captures, int captureCount, int bonus);
159
160   // perft() is our utility to verify move generation. All the leaf nodes up
161   // to the given depth are generated and counted, and the sum is returned.
162   template<bool Root>
163   uint64_t perft(Position& pos, Depth depth) {
164
165     StateInfo st;
166     uint64_t cnt, nodes = 0;
167     const bool leaf = (depth == 2 * ONE_PLY);
168
169     for (const auto& m : MoveList<LEGAL>(pos))
170     {
171         if (Root && depth <= ONE_PLY)
172             cnt = 1, nodes++;
173         else
174         {
175             pos.do_move(m, st);
176             cnt = leaf ? MoveList<LEGAL>(pos).size() : perft<false>(pos, depth - ONE_PLY);
177             nodes += cnt;
178             pos.undo_move(m);
179         }
180         if (Root)
181             sync_cout << UCI::move(m, pos.is_chess960()) << ": " << cnt << sync_endl;
182     }
183     return nodes;
184   }
185
186 } // namespace
187
188
189 /// Search::init() is called at startup to initialize various lookup tables
190
191 void Search::init() {
192
193   for (int i = 1; i < MAX_MOVES; ++i)
194       Reductions[i] = int(22.9 * std::log(i));
195 }
196
197
198 /// Search::clear() resets search state to its initial value
199
200 void Search::clear() {
201
202   Threads.main()->wait_for_search_finished();
203
204   Time.availableNodes = 0;
205   TT.clear();
206   Threads.clear();
207   Tablebases::init(Options["SyzygyPath"]); // Free mapped files
208 }
209
210
211 /// MainThread::search() is started when the program receives the UCI 'go'
212 /// command. It searches from the root position and outputs the "bestmove".
213
214 void MainThread::search() {
215
216   if (Limits.perft)
217   {
218       nodes = perft<true>(rootPos, Limits.perft * ONE_PLY);
219       sync_cout << "\nNodes searched: " << nodes << "\n" << sync_endl;
220       return;
221   }
222
223   Color us = rootPos.side_to_move();
224   Time.init(Limits, us, rootPos.game_ply());
225   TT.new_search();
226
227   if (rootMoves.empty())
228   {
229       rootMoves.emplace_back(MOVE_NONE);
230       sync_cout << "info depth 0 score "
231                 << UCI::value(rootPos.checkers() ? -VALUE_MATE : VALUE_DRAW)
232                 << sync_endl;
233   }
234   else
235   {
236       for (Thread* th : Threads)
237       {
238           th->bestMoveChanges = 0;
239           if (th != this)
240               th->start_searching();
241       }
242
243       Thread::search(); // Let's start searching!
244   }
245
246   // When we reach the maximum depth, we can arrive here without a raise of
247   // Threads.stop. However, if we are pondering or in an infinite search,
248   // the UCI protocol states that we shouldn't print the best move before the
249   // GUI sends a "stop" or "ponderhit" command. We therefore simply wait here
250   // until the GUI sends one of those commands.
251
252   while (!Threads.stop && (ponder || Limits.infinite))
253   {} // Busy wait for a stop or a ponder reset
254
255   // Stop the threads if not already stopped (also raise the stop if
256   // "ponderhit" just reset Threads.ponder).
257   Threads.stop = true;
258
259   // Wait until all threads have finished
260   for (Thread* th : Threads)
261       if (th != this)
262           th->wait_for_search_finished();
263
264   // When playing in 'nodes as time' mode, subtract the searched nodes from
265   // the available ones before exiting.
266   if (Limits.npmsec)
267       Time.availableNodes += Limits.inc[us] - Threads.nodes_searched();
268
269   Thread* bestThread = this;
270
271   // Check if there are threads with a better score than main thread
272   if (    Options["MultiPV"] == 1
273       && !Limits.depth
274       && !(Skill(Options["Skill Level"]).enabled() || Options["UCI_LimitStrength"])
275       &&  rootMoves[0].pv[0] != MOVE_NONE)
276   {
277       std::map<Move, int64_t> votes;
278       Value minScore = this->rootMoves[0].score;
279
280       // Find out minimum score and reset votes for moves which can be voted
281       for (Thread* th: Threads)
282           minScore = std::min(minScore, th->rootMoves[0].score);
283
284       // Vote according to score and depth, and select the best thread
285       for (Thread* th : Threads)
286       {
287           votes[th->rootMoves[0].pv[0]] +=
288               (th->rootMoves[0].score - minScore + 14) * int(th->completedDepth);
289
290           if (votes[th->rootMoves[0].pv[0]] > votes[bestThread->rootMoves[0].pv[0]])
291               bestThread = th;
292       }
293   }
294
295   previousScore = bestThread->rootMoves[0].score;
296
297   // Send again PV info if we have a new best thread
298   if (bestThread != this)
299       sync_cout << UCI::pv(bestThread->rootPos, bestThread->completedDepth, -VALUE_INFINITE, VALUE_INFINITE) << sync_endl;
300
301   sync_cout << "bestmove " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[0], rootPos.is_chess960());
302
303   if (bestThread->rootMoves[0].pv.size() > 1 || bestThread->rootMoves[0].extract_ponder_from_tt(rootPos))
304       std::cout << " ponder " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[1], rootPos.is_chess960());
305
306   std::cout << sync_endl;
307 }
308
309
310 /// Thread::search() is the main iterative deepening loop. It calls search()
311 /// repeatedly with increasing depth until the allocated thinking time has been
312 /// consumed, the user stops the search, or the maximum search depth is reached.
313
314 void Thread::search() {
315
316   // To allow access to (ss-7) up to (ss+2), the stack must be oversized.
317   // The former is needed to allow update_continuation_histories(ss-1, ...),
318   // which accesses its argument at ss-6, also near the root.
319   // The latter is needed for statScores and killer initialization.
320   Stack stack[MAX_PLY+10], *ss = stack+7;
321   Move  pv[MAX_PLY+1];
322   Value bestValue, alpha, beta, delta;
323   Move  lastBestMove = MOVE_NONE;
324   Depth lastBestMoveDepth = DEPTH_ZERO;
325   MainThread* mainThread = (this == Threads.main() ? Threads.main() : nullptr);
326   double timeReduction = 1, totBestMoveChanges = 0;
327   Color us = rootPos.side_to_move();
328
329   std::memset(ss-7, 0, 10 * sizeof(Stack));
330   for (int i = 7; i > 0; i--)
331      (ss-i)->continuationHistory = &this->continuationHistory[NO_PIECE][0]; // Use as sentinel
332   ss->pv = pv;
333
334   bestValue = delta = alpha = -VALUE_INFINITE;
335   beta = VALUE_INFINITE;
336
337   multiPV = Options["MultiPV"];
338
339   // Pick integer skill levels, but non-deterministically round up or down
340   // such that the average integer skill corresponds to the input floating point one.
341   // UCI_Elo is converted to a suitable fractional skill level, using anchoring
342   // to CCRL Elo (goldfish 1.13 = 2000) and a fit through Ordo derived Elo
343   // for match (TC 60+0.6) results spanning a wide range of k values.
344   PRNG rng(now());
345   double floatLevel = Options["UCI_LimitStrength"] ?
346                         clamp(std::pow((Options["UCI_Elo"] - 1346.6) / 143.4, 1 / 0.806), 0.0, 20.0) :
347                         double(Options["Skill Level"]);
348   int intLevel = int(floatLevel) +
349                  ((floatLevel - int(floatLevel)) * 1024 > rng.rand<unsigned>() % 1024  ? 1 : 0);
350   Skill skill(intLevel);
351
352   // When playing with strength handicap enable MultiPV search that we will
353   // use behind the scenes to retrieve a set of possible moves.
354   if (skill.enabled())
355       multiPV = std::max(multiPV, (size_t)4);
356
357   multiPV = std::min(multiPV, rootMoves.size());
358
359   int ct = int(Options["Contempt"]) * PawnValueEg / 100; // From centipawns
360
361   // In analysis mode, adjust contempt in accordance with user preference
362   if (Limits.infinite || Options["UCI_AnalyseMode"])
363       ct =  Options["Analysis Contempt"] == "Off"  ? 0
364           : Options["Analysis Contempt"] == "Both" ? ct
365           : Options["Analysis Contempt"] == "White" && us == BLACK ? -ct
366           : Options["Analysis Contempt"] == "Black" && us == WHITE ? -ct
367           : ct;
368
369   // Evaluation score is from the white point of view
370   contempt = (us == WHITE ?  make_score(ct, ct / 2)
371                           : -make_score(ct, ct / 2));
372
373   // Iterative deepening loop until requested to stop or the target depth is reached
374   while (   (rootDepth += ONE_PLY) < DEPTH_MAX
375          && !Threads.stop
376          && !(Limits.depth && mainThread && rootDepth / ONE_PLY > Limits.depth))
377   {
378       // Age out PV variability metric
379       if (mainThread)
380           totBestMoveChanges /= 2;
381
382       // Save the last iteration's scores before first PV line is searched and
383       // all the move scores except the (new) PV are set to -VALUE_INFINITE.
384       for (RootMove& rm : rootMoves)
385           rm.previousScore = rm.score;
386
387       size_t pvFirst = 0;
388       pvLast = 0;
389
390       // MultiPV loop. We perform a full root search for each PV line
391       for (pvIdx = 0; pvIdx < multiPV && !Threads.stop; ++pvIdx)
392       {
393           if (pvIdx == pvLast)
394           {
395               pvFirst = pvLast;
396               for (pvLast++; pvLast < rootMoves.size(); pvLast++)
397                   if (rootMoves[pvLast].tbRank != rootMoves[pvFirst].tbRank)
398                       break;
399           }
400
401           // Reset UCI info selDepth for each depth and each PV line
402           selDepth = 0;
403
404           // Reset aspiration window starting size
405           if (rootDepth >= 5 * ONE_PLY)
406           {
407               Value previousScore = rootMoves[pvIdx].previousScore;
408               delta = Value(20);
409               alpha = std::max(previousScore - delta,-VALUE_INFINITE);
410               beta  = std::min(previousScore + delta, VALUE_INFINITE);
411
412               // Adjust contempt based on root move's previousScore (dynamic contempt)
413               int dct = ct + 88 * previousScore / (abs(previousScore) + 200);
414
415               contempt = (us == WHITE ?  make_score(dct, dct / 2)
416                                       : -make_score(dct, dct / 2));
417           }
418
419           // Start with a small aspiration window and, in the case of a fail
420           // high/low, re-search with a bigger window until we don't fail
421           // high/low anymore.
422           int failedHighCnt = 0;
423           while (true)
424           {
425               Depth adjustedDepth = std::max(ONE_PLY, rootDepth - failedHighCnt * ONE_PLY);
426               bestValue = ::search<PV>(rootPos, ss, alpha, beta, adjustedDepth, false);
427
428               // Bring the best move to the front. It is critical that sorting
429               // is done with a stable algorithm because all the values but the
430               // first and eventually the new best one are set to -VALUE_INFINITE
431               // and we want to keep the same order for all the moves except the
432               // new PV that goes to the front. Note that in case of MultiPV
433               // search the already searched PV lines are preserved.
434               std::stable_sort(rootMoves.begin() + pvIdx, rootMoves.begin() + pvLast);
435
436               // If search has been stopped, we break immediately. Sorting is
437               // safe because RootMoves is still valid, although it refers to
438               // the previous iteration.
439               if (Threads.stop)
440                   break;
441
442               // When failing high/low give some update (without cluttering
443               // the UI) before a re-search.
444               if (   mainThread
445                   && multiPV == 1
446                   && (bestValue <= alpha || bestValue >= beta)
447                   && Time.elapsed() > 3000)
448                   sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
449
450               // In case of failing low/high increase aspiration window and
451               // re-search, otherwise exit the loop.
452               if (bestValue <= alpha)
453               {
454                   beta = (alpha + beta) / 2;
455                   alpha = std::max(bestValue - delta, -VALUE_INFINITE);
456
457                   failedHighCnt = 0;
458                   if (mainThread)
459                       mainThread->stopOnPonderhit = false;
460               }
461               else if (bestValue >= beta)
462               {
463                   beta = std::min(bestValue + delta, VALUE_INFINITE);
464                   ++failedHighCnt;
465               }
466               else
467                   break;
468
469               delta += delta / 4 + 5;
470
471               assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && beta <= VALUE_INFINITE);
472           }
473
474           // Sort the PV lines searched so far and update the GUI
475           std::stable_sort(rootMoves.begin() + pvFirst, rootMoves.begin() + pvIdx + 1);
476
477           if (    mainThread
478               && (Threads.stop || pvIdx + 1 == multiPV || Time.elapsed() > 3000))
479               sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
480       }
481
482       if (!Threads.stop)
483           completedDepth = rootDepth;
484
485       if (rootMoves[0].pv[0] != lastBestMove) {
486          lastBestMove = rootMoves[0].pv[0];
487          lastBestMoveDepth = rootDepth;
488       }
489
490       // Have we found a "mate in x"?
491       if (   Limits.mate
492           && bestValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY
493           && VALUE_MATE - bestValue <= 2 * Limits.mate)
494           Threads.stop = true;
495
496       if (!mainThread)
497           continue;
498
499       // If skill level is enabled and time is up, pick a sub-optimal best move
500       if (skill.enabled() && skill.time_to_pick(rootDepth))
501           skill.pick_best(multiPV);
502
503       // Do we have time for the next iteration? Can we stop searching now?
504       if (    Limits.use_time_management()
505           && !Threads.stop
506           && !mainThread->stopOnPonderhit)
507       {
508           double fallingEval = (314 + 9 * (mainThread->previousScore - bestValue)) / 581.0;
509           fallingEval = clamp(fallingEval, 0.5, 1.5);
510
511           // If the bestMove is stable over several iterations, reduce time accordingly
512           timeReduction = lastBestMoveDepth + 10 * ONE_PLY < completedDepth ? 1.95 : 1.0;
513           double reduction = (1.25 + mainThread->previousTimeReduction) / (2.25 * timeReduction);
514
515           // Use part of the gained time from a previous stable move for the current move
516           for (Thread* th : Threads)
517           {
518               totBestMoveChanges += th->bestMoveChanges;
519               th->bestMoveChanges = 0;
520           }
521           double bestMoveInstability = 1 + totBestMoveChanges / Threads.size();
522
523           // Stop the search if we have only one legal move, or if available time elapsed
524           if (   rootMoves.size() == 1
525               || Time.elapsed() > Time.optimum() * fallingEval * reduction * bestMoveInstability)
526           {
527               // If we are allowed to ponder do not stop the search now but
528               // keep pondering until the GUI sends "ponderhit" or "stop".
529               if (mainThread->ponder)
530                   mainThread->stopOnPonderhit = true;
531               else
532                   Threads.stop = true;
533           }
534       }
535   }
536
537   if (!mainThread)
538       return;
539
540   mainThread->previousTimeReduction = timeReduction;
541
542   // If skill level is enabled, swap best PV line with the sub-optimal one
543   if (skill.enabled())
544       std::swap(rootMoves[0], *std::find(rootMoves.begin(), rootMoves.end(),
545                 skill.best ? skill.best : skill.pick_best(multiPV)));
546 }
547
548
549 namespace {
550
551   // search<>() is the main search function for both PV and non-PV nodes
552
553   template <NodeType NT>
554   Value search(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth, bool cutNode) {
555
556     constexpr bool PvNode = NT == PV;
557     const bool rootNode = PvNode && ss->ply == 0;
558
559     // Check if we have an upcoming move which draws by repetition, or
560     // if the opponent had an alternative move earlier to this position.
561     if (   pos.rule50_count() >= 3
562         && alpha < VALUE_DRAW
563         && !rootNode
564         && pos.has_game_cycle(ss->ply))
565     {
566         alpha = value_draw(depth, pos.this_thread());
567         if (alpha >= beta)
568             return alpha;
569     }
570
571     // Dive into quiescence search when the depth reaches zero
572     if (depth < ONE_PLY)
573         return qsearch<NT>(pos, ss, alpha, beta);
574
575     assert(-VALUE_INFINITE <= alpha && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
576     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
577     assert(DEPTH_ZERO < depth && depth < DEPTH_MAX);
578     assert(!(PvNode && cutNode));
579     assert(depth / ONE_PLY * ONE_PLY == depth);
580
581     Move pv[MAX_PLY+1], capturesSearched[32], quietsSearched[64];
582     StateInfo st;
583     TTEntry* tte;
584     Key posKey;
585     Move ttMove, move, excludedMove, bestMove;
586     Depth extension, newDepth;
587     Value bestValue, value, ttValue, eval, maxValue;
588     bool ttHit, ttPv, inCheck, givesCheck, improving, doLMR;
589     bool captureOrPromotion, doFullDepthSearch, moveCountPruning, ttCapture;
590     Piece movedPiece;
591     int moveCount, captureCount, quietCount, singularLMR;
592
593     // Step 1. Initialize node
594     Thread* thisThread = pos.this_thread();
595     inCheck = pos.checkers();
596     Color us = pos.side_to_move();
597     moveCount = captureCount = quietCount = singularLMR = ss->moveCount = 0;
598     bestValue = -VALUE_INFINITE;
599     maxValue = VALUE_INFINITE;
600
601     // Check for the available remaining time
602     if (thisThread == Threads.main())
603         static_cast<MainThread*>(thisThread)->check_time();
604
605     // Used to send selDepth info to GUI (selDepth counts from 1, ply from 0)
606     if (PvNode && thisThread->selDepth < ss->ply + 1)
607         thisThread->selDepth = ss->ply + 1;
608
609     if (!rootNode)
610     {
611         // Step 2. Check for aborted search and immediate draw
612         if (   Threads.stop.load(std::memory_order_relaxed)
613             || pos.is_draw(ss->ply)
614             || ss->ply >= MAX_PLY)
615             return (ss->ply >= MAX_PLY && !inCheck) ? evaluate(pos)
616                                                     : value_draw(depth, pos.this_thread());
617
618         // Step 3. Mate distance pruning. Even if we mate at the next move our score
619         // would be at best mate_in(ss->ply+1), but if alpha is already bigger because
620         // a shorter mate was found upward in the tree then there is no need to search
621         // because we will never beat the current alpha. Same logic but with reversed
622         // signs applies also in the opposite condition of being mated instead of giving
623         // mate. In this case return a fail-high score.
624         alpha = std::max(mated_in(ss->ply), alpha);
625         beta = std::min(mate_in(ss->ply+1), beta);
626         if (alpha >= beta)
627             return alpha;
628     }
629
630     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
631
632     (ss+1)->ply = ss->ply + 1;
633     (ss+1)->excludedMove = bestMove = MOVE_NONE;
634     (ss+2)->killers[0] = (ss+2)->killers[1] = MOVE_NONE;
635     Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
636
637     // Initialize statScore to zero for the grandchildren of the current position.
638     // So statScore is shared between all grandchildren and only the first grandchild
639     // starts with statScore = 0. Later grandchildren start with the last calculated
640     // statScore of the previous grandchild. This influences the reduction rules in
641     // LMR which are based on the statScore of parent position.
642     if (rootNode)
643         (ss + 4)->statScore = 0;
644     else
645         (ss + 2)->statScore = 0;
646
647     // Step 4. Transposition table lookup. We don't want the score of a partial
648     // search to overwrite a previous full search TT value, so we use a different
649     // position key in case of an excluded move.
650     excludedMove = ss->excludedMove;
651     posKey = pos.key() ^ Key(excludedMove << 16); // Isn't a very good hash
652     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
653     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
654     ttMove =  rootNode ? thisThread->rootMoves[thisThread->pvIdx].pv[0]
655             : ttHit    ? tte->move() : MOVE_NONE;
656     ttPv = PvNode || (ttHit && tte->is_pv());
657
658     // At non-PV nodes we check for an early TT cutoff
659     if (  !PvNode
660         && ttHit
661         && tte->depth() >= depth
662         && ttValue != VALUE_NONE // Possible in case of TT access race
663         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() & BOUND_LOWER)
664                             : (tte->bound() & BOUND_UPPER)))
665     {
666         // If ttMove is quiet, update move sorting heuristics on TT hit
667         if (ttMove)
668         {
669             if (ttValue >= beta)
670             {
671                 if (!pos.capture_or_promotion(ttMove))
672                     update_quiet_stats(pos, ss, ttMove, nullptr, 0, stat_bonus(depth));
673
674                 // Extra penalty for early quiet moves of the previous ply
675                 if ((ss-1)->moveCount <= 2 && !pos.captured_piece())
676                         update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, -stat_bonus(depth + ONE_PLY));
677             }
678             // Penalty for a quiet ttMove that fails low
679             else if (!pos.capture_or_promotion(ttMove))
680             {
681                 int penalty = -stat_bonus(depth);
682                 thisThread->mainHistory[us][from_to(ttMove)] << penalty;
683                 update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(ttMove), to_sq(ttMove), penalty);
684             }
685         }
686         return ttValue;
687     }
688
689     // Step 5. Tablebases probe
690     if (!rootNode && TB::Cardinality)
691     {
692         int piecesCount = pos.count<ALL_PIECES>();
693
694         if (    piecesCount <= TB::Cardinality
695             && (piecesCount <  TB::Cardinality || depth >= TB::ProbeDepth)
696             &&  pos.rule50_count() == 0
697             && !pos.can_castle(ANY_CASTLING))
698         {
699             TB::ProbeState err;
700             TB::WDLScore wdl = Tablebases::probe_wdl(pos, &err);
701
702             // Force check of time on the next occasion
703             if (thisThread == Threads.main())
704                 static_cast<MainThread*>(thisThread)->callsCnt = 0;
705
706             if (err != TB::ProbeState::FAIL)
707             {
708                 thisThread->tbHits.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
709
710                 int drawScore = TB::UseRule50 ? 1 : 0;
711
712                 value =  wdl < -drawScore ? -VALUE_MATE + MAX_PLY + ss->ply + 1
713                        : wdl >  drawScore ?  VALUE_MATE - MAX_PLY - ss->ply - 1
714                                           :  VALUE_DRAW + 2 * wdl * drawScore;
715
716                 Bound b =  wdl < -drawScore ? BOUND_UPPER
717                          : wdl >  drawScore ? BOUND_LOWER : BOUND_EXACT;
718
719                 if (    b == BOUND_EXACT
720                     || (b == BOUND_LOWER ? value >= beta : value <= alpha))
721                 {
722                     tte->save(posKey, value_to_tt(value, ss->ply), ttPv, b,
723                               std::min(DEPTH_MAX - ONE_PLY, depth + 6 * ONE_PLY),
724                               MOVE_NONE, VALUE_NONE);
725
726                     return value;
727                 }
728
729                 if (PvNode)
730                 {
731                     if (b == BOUND_LOWER)
732                         bestValue = value, alpha = std::max(alpha, bestValue);
733                     else
734                         maxValue = value;
735                 }
736             }
737         }
738     }
739
740     // Step 6. Static evaluation of the position
741     if (inCheck)
742     {
743         ss->staticEval = eval = VALUE_NONE;
744         improving = false;
745         goto moves_loop;  // Skip early pruning when in check
746     }
747     else if (ttHit)
748     {
749         // Never assume anything about values stored in TT
750         ss->staticEval = eval = tte->eval();
751         if (eval == VALUE_NONE)
752             ss->staticEval = eval = evaluate(pos);
753
754         // Can ttValue be used as a better position evaluation?
755         if (    ttValue != VALUE_NONE
756             && (tte->bound() & (ttValue > eval ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER)))
757             eval = ttValue;
758     }
759     else
760     {
761         if ((ss-1)->currentMove != MOVE_NULL)
762         {
763             int bonus = -(ss-1)->statScore / 512;
764
765             ss->staticEval = eval = evaluate(pos) + bonus;
766         }
767         else
768             ss->staticEval = eval = -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
769
770         tte->save(posKey, VALUE_NONE, ttPv, BOUND_NONE, DEPTH_NONE, MOVE_NONE, eval);
771     }
772
773     // Step 7. Razoring (~2 Elo)
774     if (   !rootNode // The required rootNode PV handling is not available in qsearch
775         &&  depth < 2 * ONE_PLY
776         &&  eval <= alpha - RazorMargin)
777         return qsearch<NT>(pos, ss, alpha, beta);
778
779     improving =   ss->staticEval >= (ss-2)->staticEval
780                || (ss-2)->staticEval == VALUE_NONE;
781
782     // Step 8. Futility pruning: child node (~30 Elo)
783     if (   !PvNode
784         &&  depth < 7 * ONE_PLY
785         &&  eval - futility_margin(depth, improving) >= beta
786         &&  eval < VALUE_KNOWN_WIN) // Do not return unproven wins
787         return eval;
788
789     // Step 9. Null move search with verification search (~40 Elo)
790     if (   !PvNode
791         && (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL
792         && (ss-1)->statScore < 23200
793         &&  eval >= beta
794         &&  ss->staticEval >= beta - 36 * depth / ONE_PLY + 225
795         && !excludedMove
796         &&  pos.non_pawn_material(us)
797         && (ss->ply >= thisThread->nmpMinPly || us != thisThread->nmpColor))
798     {
799         assert(eval - beta >= 0);
800
801         // Null move dynamic reduction based on depth and value
802         Depth R = ((823 + 67 * depth / ONE_PLY) / 256 + std::min(int(eval - beta) / 200, 3)) * ONE_PLY;
803
804         ss->currentMove = MOVE_NULL;
805         ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[NO_PIECE][0];
806
807         pos.do_null_move(st);
808
809         Value nullValue = -search<NonPV>(pos, ss+1, -beta, -beta+1, depth-R, !cutNode);
810
811         pos.undo_null_move();
812
813         if (nullValue >= beta)
814         {
815             // Do not return unproven mate scores
816             if (nullValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
817                 nullValue = beta;
818
819             if (thisThread->nmpMinPly || (abs(beta) < VALUE_KNOWN_WIN && depth < 12 * ONE_PLY))
820                 return nullValue;
821
822             assert(!thisThread->nmpMinPly); // Recursive verification is not allowed
823
824             // Do verification search at high depths, with null move pruning disabled
825             // for us, until ply exceeds nmpMinPly.
826             thisThread->nmpMinPly = ss->ply + 3 * (depth-R) / (4 * ONE_PLY);
827             thisThread->nmpColor = us;
828
829             Value v = search<NonPV>(pos, ss, beta-1, beta, depth-R, false);
830
831             thisThread->nmpMinPly = 0;
832
833             if (v >= beta)
834                 return nullValue;
835         }
836     }
837
838     // Step 10. ProbCut (~10 Elo)
839     // If we have a good enough capture and a reduced search returns a value
840     // much above beta, we can (almost) safely prune the previous move.
841     if (   !PvNode
842         &&  depth >= 5 * ONE_PLY
843         &&  abs(beta) < VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
844     {
845         Value raisedBeta = std::min(beta + 216 - 48 * improving, VALUE_INFINITE);
846         MovePicker mp(pos, ttMove, raisedBeta - ss->staticEval, &thisThread->captureHistory);
847         int probCutCount = 0;
848
849         while (  (move = mp.next_move()) != MOVE_NONE
850                && probCutCount < 2 + 2 * cutNode)
851             if (move != excludedMove && pos.legal(move))
852             {
853                 probCutCount++;
854
855                 ss->currentMove = move;
856                 ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[pos.moved_piece(move)][to_sq(move)];
857
858                 assert(depth >= 5 * ONE_PLY);
859
860                 pos.do_move(move, st);
861
862                 // Perform a preliminary qsearch to verify that the move holds
863                 value = -qsearch<NonPV>(pos, ss+1, -raisedBeta, -raisedBeta+1);
864
865                 // If the qsearch held, perform the regular search
866                 if (value >= raisedBeta)
867                     value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -raisedBeta, -raisedBeta+1, depth - 4 * ONE_PLY, !cutNode);
868
869                 pos.undo_move(move);
870
871                 if (value >= raisedBeta)
872                     return value;
873             }
874     }
875
876     // Step 11. Internal iterative deepening (~2 Elo)
877     if (depth >= 8 * ONE_PLY && !ttMove)
878     {
879         search<NT>(pos, ss, alpha, beta, depth - 7 * ONE_PLY, cutNode);
880
881         tte = TT.probe(posKey, ttHit);
882         ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
883         ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
884     }
885
886 moves_loop: // When in check, search starts from here
887
888     const PieceToHistory* contHist[] = { (ss-1)->continuationHistory, (ss-2)->continuationHistory,
889                                           nullptr, (ss-4)->continuationHistory,
890                                           nullptr, (ss-6)->continuationHistory };
891
892     Move countermove = thisThread->counterMoves[pos.piece_on(prevSq)][prevSq];
893
894     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, &thisThread->mainHistory,
895                                       &thisThread->captureHistory,
896                                       contHist,
897                                       countermove,
898                                       ss->killers);
899
900     value = bestValue; // Workaround a bogus 'uninitialized' warning under gcc
901     moveCountPruning = false;
902     ttCapture = ttMove && pos.capture_or_promotion(ttMove);
903
904     // Mark this node as being searched.
905     ThreadHolding th(thisThread, posKey, ss->ply);
906
907     // Step 12. Loop through all pseudo-legal moves until no moves remain
908     // or a beta cutoff occurs.
909     while ((move = mp.next_move(moveCountPruning)) != MOVE_NONE)
910     {
911       assert(is_ok(move));
912
913       if (move == excludedMove)
914           continue;
915
916       // At root obey the "searchmoves" option and skip moves not listed in Root
917       // Move List. As a consequence any illegal move is also skipped. In MultiPV
918       // mode we also skip PV moves which have been already searched and those
919       // of lower "TB rank" if we are in a TB root position.
920       if (rootNode && !std::count(thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvIdx,
921                                   thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvLast, move))
922           continue;
923
924       ss->moveCount = ++moveCount;
925
926       if (rootNode && thisThread == Threads.main() && Time.elapsed() > 3000)
927           sync_cout << "info depth " << depth / ONE_PLY
928                     << " currmove " << UCI::move(move, pos.is_chess960())
929                     << " currmovenumber " << moveCount + thisThread->pvIdx << sync_endl;
930
931       // In MultiPV mode also skip moves which will be searched later as PV moves
932       if (rootNode && std::count(thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvIdx + 1,
933                                  thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->multiPV, move))
934           continue;
935
936       if (PvNode)
937           (ss+1)->pv = nullptr;
938
939       extension = DEPTH_ZERO;
940       captureOrPromotion = pos.capture_or_promotion(move);
941       movedPiece = pos.moved_piece(move);
942       givesCheck = pos.gives_check(move);
943
944       // Step 13. Extensions (~70 Elo)
945
946       // Singular extension search (~60 Elo). If all moves but one fail low on a
947       // search of (alpha-s, beta-s), and just one fails high on (alpha, beta),
948       // then that move is singular and should be extended. To verify this we do
949       // a reduced search on all the other moves but the ttMove and if the
950       // result is lower than ttValue minus a margin then we will extend the ttMove.
951       if (    depth >= 8 * ONE_PLY
952           &&  move == ttMove
953           && !rootNode
954           && !excludedMove // Avoid recursive singular search
955        /* &&  ttValue != VALUE_NONE Already implicit in the next condition */
956           &&  abs(ttValue) < VALUE_KNOWN_WIN
957           && (tte->bound() & BOUND_LOWER)
958           &&  tte->depth() >= depth - 3 * ONE_PLY
959           &&  pos.legal(move))
960       {
961           Value singularBeta = ttValue - 2 * depth / ONE_PLY;
962           Depth halfDepth = depth / (2 * ONE_PLY) * ONE_PLY; // ONE_PLY invariant
963           ss->excludedMove = move;
964           value = search<NonPV>(pos, ss, singularBeta - 1, singularBeta, halfDepth, cutNode);
965           ss->excludedMove = MOVE_NONE;
966
967           if (value < singularBeta)
968           {
969               extension = ONE_PLY;
970               singularLMR++;
971
972               if (value < singularBeta - std::min(3 * depth / ONE_PLY, 39))
973                   singularLMR++;
974           }
975
976           // Multi-cut pruning
977           // Our ttMove is assumed to fail high, and now we failed high also on a reduced
978           // search without the ttMove. So we assume this expected Cut-node is not singular,
979           // that multiple moves fail high, and we can prune the whole subtree by returning
980           // a soft bound.
981           else if (   eval >= beta
982                    && singularBeta >= beta)
983               return singularBeta;
984       }
985
986       // Check extension (~2 Elo)
987       else if (    givesCheck
988                && (pos.is_discovery_check_on_king(~us, move) || pos.see_ge(move)))
989           extension = ONE_PLY;
990
991       // Castling extension
992       else if (type_of(move) == CASTLING)
993           extension = ONE_PLY;
994
995       // Shuffle extension
996       else if (   PvNode
997                && pos.rule50_count() > 18
998                && depth < 3 * ONE_PLY
999                && ++thisThread->shuffleExts < thisThread->nodes.load(std::memory_order_relaxed) / 4)  // To avoid too many extensions
1000           extension = ONE_PLY;
1001
1002       // Passed pawn extension
1003       else if (   move == ss->killers[0]
1004                && pos.advanced_pawn_push(move)
1005                && pos.pawn_passed(us, to_sq(move)))
1006           extension = ONE_PLY;
1007
1008       // Calculate new depth for this move
1009       newDepth = depth - ONE_PLY + extension;
1010
1011       // Step 14. Pruning at shallow depth (~170 Elo)
1012       if (  !rootNode
1013           && pos.non_pawn_material(us)
1014           && bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY)
1015       {
1016           // Skip quiet moves if movecount exceeds our FutilityMoveCount threshold
1017           moveCountPruning = moveCount >= futility_move_count(improving, depth / ONE_PLY);
1018
1019           if (   !captureOrPromotion
1020               && !givesCheck
1021               && (!pos.advanced_pawn_push(move) || pos.non_pawn_material(~us) > BishopValueMg))
1022           {
1023               // Move count based pruning
1024               if (moveCountPruning)
1025                   continue;
1026
1027               // Reduced depth of the next LMR search
1028               int lmrDepth = std::max(newDepth - reduction(improving, depth, moveCount), DEPTH_ZERO);
1029               lmrDepth /= ONE_PLY;
1030
1031               // Countermoves based pruning (~20 Elo)
1032               if (   lmrDepth < 3 + ((ss-1)->statScore > 0 || (ss-1)->moveCount == 1)
1033                   && (*contHist[0])[movedPiece][to_sq(move)] < CounterMovePruneThreshold
1034                   && (*contHist[1])[movedPiece][to_sq(move)] < CounterMovePruneThreshold)
1035                   continue;
1036
1037               // Futility pruning: parent node (~2 Elo)
1038               if (   lmrDepth < 7
1039                   && !inCheck
1040                   && ss->staticEval + 256 + 200 * lmrDepth <= alpha)
1041                   continue;
1042
1043               // Prune moves with negative SEE (~10 Elo)
1044               if (!pos.see_ge(move, Value(-29 * lmrDepth * lmrDepth)))
1045                   continue;
1046           }
1047           else if (  (!givesCheck || !extension)
1048                    && !pos.see_ge(move, -PawnValueEg * (depth / ONE_PLY))) // (~20 Elo)
1049                   continue;
1050       }
1051
1052       // Speculative prefetch as early as possible
1053       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
1054
1055       // Check for legality just before making the move
1056       if (!rootNode && !pos.legal(move))
1057       {
1058           ss->moveCount = --moveCount;
1059           continue;
1060       }
1061
1062       // Update the current move (this must be done after singular extension search)
1063       ss->currentMove = move;
1064       ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[movedPiece][to_sq(move)];
1065
1066       // Step 15. Make the move
1067       pos.do_move(move, st, givesCheck);
1068
1069       // Step 16. Reduced depth search (LMR). If the move fails high it will be
1070       // re-searched at full depth.
1071       if (    depth >= 3 * ONE_PLY
1072           &&  moveCount > 1 + 3 * rootNode
1073           && (  !captureOrPromotion
1074               || moveCountPruning
1075               || ss->staticEval + PieceValue[EG][pos.captured_piece()] <= alpha))
1076       {
1077           Depth r = reduction(improving, depth, moveCount);
1078
1079           // Reduction if other threads are searching this position.
1080           if (th.marked())
1081               r += ONE_PLY;
1082
1083           // Decrease reduction if position is or has been on the PV
1084           if (ttPv)
1085               r -= 2 * ONE_PLY;
1086
1087           // Decrease reduction if opponent's move count is high (~10 Elo)
1088           if ((ss-1)->moveCount > 15)
1089               r -= ONE_PLY;
1090
1091           // Decrease reduction if move has been singularly extended
1092           r -= singularLMR * ONE_PLY;
1093
1094           if (!captureOrPromotion)
1095           {
1096               // Increase reduction if ttMove is a capture (~0 Elo)
1097               if (ttCapture)
1098                   r += ONE_PLY;
1099
1100               // Increase reduction for cut nodes (~5 Elo)
1101               if (cutNode)
1102                   r += 2 * ONE_PLY;
1103
1104               // Decrease reduction for moves that escape a capture. Filter out
1105               // castling moves, because they are coded as "king captures rook" and
1106               // hence break make_move(). (~5 Elo)
1107               else if (    type_of(move) == NORMAL
1108                        && !pos.see_ge(make_move(to_sq(move), from_sq(move))))
1109                   r -= 2 * ONE_PLY;
1110
1111               ss->statScore =  thisThread->mainHistory[us][from_to(move)]
1112                              + (*contHist[0])[movedPiece][to_sq(move)]
1113                              + (*contHist[1])[movedPiece][to_sq(move)]
1114                              + (*contHist[3])[movedPiece][to_sq(move)]
1115                              - 4000;
1116
1117               // Decrease/increase reduction by comparing opponent's stat score (~10 Elo)
1118               if (ss->statScore >= 0 && (ss-1)->statScore < 0)
1119                   r -= ONE_PLY;
1120
1121               else if ((ss-1)->statScore >= 0 && ss->statScore < 0)
1122                   r += ONE_PLY;
1123
1124               // Decrease/increase reduction for moves with a good/bad history (~30 Elo)
1125               r -= ss->statScore / 16384 * ONE_PLY;
1126           }
1127
1128           Depth d = clamp(newDepth - r, ONE_PLY, newDepth);
1129
1130           value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, d, true);
1131
1132           doFullDepthSearch = (value > alpha && d != newDepth), doLMR = true;
1133       }
1134       else
1135           doFullDepthSearch = !PvNode || moveCount > 1, doLMR = false;
1136
1137       // Step 17. Full depth search when LMR is skipped or fails high
1138       if (doFullDepthSearch)
1139       {
1140           value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, newDepth, !cutNode);
1141
1142           if (doLMR && !captureOrPromotion)
1143           {
1144               int bonus = value > alpha ?  stat_bonus(newDepth)
1145                                         : -stat_bonus(newDepth);
1146
1147               update_continuation_histories(ss, movedPiece, to_sq(move), bonus);
1148           }
1149       }
1150
1151       // For PV nodes only, do a full PV search on the first move or after a fail
1152       // high (in the latter case search only if value < beta), otherwise let the
1153       // parent node fail low with value <= alpha and try another move.
1154       if (PvNode && (moveCount == 1 || (value > alpha && (rootNode || value < beta))))
1155       {
1156           (ss+1)->pv = pv;
1157           (ss+1)->pv[0] = MOVE_NONE;
1158
1159           value = -search<PV>(pos, ss+1, -beta, -alpha, newDepth, false);
1160       }
1161
1162       // Step 18. Undo move
1163       pos.undo_move(move);
1164
1165       assert(value > -VALUE_INFINITE && value < VALUE_INFINITE);
1166
1167       // Step 19. Check for a new best move
1168       // Finished searching the move. If a stop occurred, the return value of
1169       // the search cannot be trusted, and we return immediately without
1170       // updating best move, PV and TT.
1171       if (Threads.stop.load(std::memory_order_relaxed))
1172           return VALUE_ZERO;
1173
1174       if (rootNode)
1175       {
1176           RootMove& rm = *std::find(thisThread->rootMoves.begin(),
1177                                     thisThread->rootMoves.end(), move);
1178
1179           // PV move or new best move?
1180           if (moveCount == 1 || value > alpha)
1181           {
1182               rm.score = value;
1183               rm.selDepth = thisThread->selDepth;
1184               rm.pv.resize(1);
1185
1186               assert((ss+1)->pv);
1187
1188               for (Move* m = (ss+1)->pv; *m != MOVE_NONE; ++m)
1189                   rm.pv.push_back(*m);
1190
1191               // We record how often the best move has been changed in each
1192               // iteration. This information is used for time management: When
1193               // the best move changes frequently, we allocate some more time.
1194               if (moveCount > 1)
1195                   ++thisThread->bestMoveChanges;
1196           }
1197           else
1198               // All other moves but the PV are set to the lowest value: this
1199               // is not a problem when sorting because the sort is stable and the
1200               // move position in the list is preserved - just the PV is pushed up.
1201               rm.score = -VALUE_INFINITE;
1202       }
1203
1204       if (value > bestValue)
1205       {
1206           bestValue = value;
1207
1208           if (value > alpha)
1209           {
1210               bestMove = move;
1211
1212               if (PvNode && !rootNode) // Update pv even in fail-high case
1213                   update_pv(ss->pv, move, (ss+1)->pv);
1214
1215               if (PvNode && value < beta) // Update alpha! Always alpha < beta
1216                   alpha = value;
1217               else
1218               {
1219                   assert(value >= beta); // Fail high
1220                   ss->statScore = 0;
1221                   break;
1222               }
1223           }
1224       }
1225
1226       if (move != bestMove)
1227       {
1228           if (captureOrPromotion && captureCount < 32)
1229               capturesSearched[captureCount++] = move;
1230
1231           else if (!captureOrPromotion && quietCount < 64)
1232               quietsSearched[quietCount++] = move;
1233       }
1234     }
1235
1236     // The following condition would detect a stop only after move loop has been
1237     // completed. But in this case bestValue is valid because we have fully
1238     // searched our subtree, and we can anyhow save the result in TT.
1239     /*
1240        if (Threads.stop)
1241         return VALUE_DRAW;
1242     */
1243
1244     // Step 20. Check for mate and stalemate
1245     // All legal moves have been searched and if there are no legal moves, it
1246     // must be a mate or a stalemate. If we are in a singular extension search then
1247     // return a fail low score.
1248
1249     assert(moveCount || !inCheck || excludedMove || !MoveList<LEGAL>(pos).size());
1250
1251     if (!moveCount)
1252         bestValue = excludedMove ? alpha
1253                    :     inCheck ? mated_in(ss->ply) : VALUE_DRAW;
1254     else if (bestMove)
1255     {
1256         // Quiet best move: update move sorting heuristics
1257         if (!pos.capture_or_promotion(bestMove))
1258             update_quiet_stats(pos, ss, bestMove, quietsSearched, quietCount,
1259                                stat_bonus(depth + (bestValue > beta + PawnValueMg ? ONE_PLY : DEPTH_ZERO)));
1260
1261         update_capture_stats(pos, bestMove, capturesSearched, captureCount, stat_bonus(depth + ONE_PLY));
1262
1263         // Extra penalty for a quiet TT or main killer move in previous ply when it gets refuted
1264         if (   ((ss-1)->moveCount == 1 || ((ss-1)->currentMove == (ss-1)->killers[0]))
1265             && !pos.captured_piece())
1266                 update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, -stat_bonus(depth + ONE_PLY));
1267
1268     }
1269     // Bonus for prior countermove that caused the fail low
1270     else if (   (depth >= 3 * ONE_PLY || PvNode)
1271              && !pos.captured_piece())
1272         update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, stat_bonus(depth));
1273
1274     if (PvNode)
1275         bestValue = std::min(bestValue, maxValue);
1276
1277     if (!excludedMove)
1278         tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), ttPv,
1279                   bestValue >= beta ? BOUND_LOWER :
1280                   PvNode && bestMove ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1281                   depth, bestMove, ss->staticEval);
1282
1283     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1284
1285     return bestValue;
1286   }
1287
1288
1289   // qsearch() is the quiescence search function, which is called by the main search
1290   // function with zero depth, or recursively with further decreasing depth per call.
1291   template <NodeType NT>
1292   Value qsearch(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth) {
1293
1294     constexpr bool PvNode = NT == PV;
1295
1296     assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
1297     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
1298     assert(depth <= DEPTH_ZERO);
1299     assert(depth / ONE_PLY * ONE_PLY == depth);
1300
1301     Move pv[MAX_PLY+1];
1302     StateInfo st;
1303     TTEntry* tte;
1304     Key posKey;
1305     Move ttMove, move, bestMove;
1306     Depth ttDepth;
1307     Value bestValue, value, ttValue, futilityValue, futilityBase, oldAlpha;
1308     bool ttHit, pvHit, inCheck, givesCheck, evasionPrunable;
1309     int moveCount;
1310
1311     if (PvNode)
1312     {
1313         oldAlpha = alpha; // To flag BOUND_EXACT when eval above alpha and no available moves
1314         (ss+1)->pv = pv;
1315         ss->pv[0] = MOVE_NONE;
1316     }
1317
1318     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1319     (ss+1)->ply = ss->ply + 1;
1320     bestMove = MOVE_NONE;
1321     inCheck = pos.checkers();
1322     moveCount = 0;
1323
1324     // Check for an immediate draw or maximum ply reached
1325     if (   pos.is_draw(ss->ply)
1326         || ss->ply >= MAX_PLY)
1327         return (ss->ply >= MAX_PLY && !inCheck) ? evaluate(pos) : VALUE_DRAW;
1328
1329     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
1330
1331     // Decide whether or not to include checks: this fixes also the type of
1332     // TT entry depth that we are going to use. Note that in qsearch we use
1333     // only two types of depth in TT: DEPTH_QS_CHECKS or DEPTH_QS_NO_CHECKS.
1334     ttDepth = inCheck || depth >= DEPTH_QS_CHECKS ? DEPTH_QS_CHECKS
1335                                                   : DEPTH_QS_NO_CHECKS;
1336     // Transposition table lookup
1337     posKey = pos.key();
1338     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
1339     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
1340     ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
1341     pvHit = ttHit && tte->is_pv();
1342
1343     if (  !PvNode
1344         && ttHit
1345         && tte->depth() >= ttDepth
1346         && ttValue != VALUE_NONE // Only in case of TT access race
1347         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() & BOUND_LOWER)
1348                             : (tte->bound() & BOUND_UPPER)))
1349         return ttValue;
1350
1351     // Evaluate the position statically
1352     if (inCheck)
1353     {
1354         ss->staticEval = VALUE_NONE;
1355         bestValue = futilityBase = -VALUE_INFINITE;
1356     }
1357     else
1358     {
1359         if (ttHit)
1360         {
1361             // Never assume anything about values stored in TT
1362             if ((ss->staticEval = bestValue = tte->eval()) == VALUE_NONE)
1363                 ss->staticEval = bestValue = evaluate(pos);
1364
1365             // Can ttValue be used as a better position evaluation?
1366             if (    ttValue != VALUE_NONE
1367                 && (tte->bound() & (ttValue > bestValue ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER)))
1368                 bestValue = ttValue;
1369         }
1370         else
1371             ss->staticEval = bestValue =
1372             (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL ? evaluate(pos)
1373                                              : -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
1374
1375         // Stand pat. Return immediately if static value is at least beta
1376         if (bestValue >= beta)
1377         {
1378             if (!ttHit)
1379                 tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), pvHit, BOUND_LOWER,
1380                           DEPTH_NONE, MOVE_NONE, ss->staticEval);
1381
1382             return bestValue;
1383         }
1384
1385         if (PvNode && bestValue > alpha)
1386             alpha = bestValue;
1387
1388         futilityBase = bestValue + 128;
1389     }
1390
1391     const PieceToHistory* contHist[] = { (ss-1)->continuationHistory, (ss-2)->continuationHistory,
1392                                           nullptr, (ss-4)->continuationHistory,
1393                                           nullptr, (ss-6)->continuationHistory };
1394
1395     // Initialize a MovePicker object for the current position, and prepare
1396     // to search the moves. Because the depth is <= 0 here, only captures,
1397     // queen promotions and checks (only if depth >= DEPTH_QS_CHECKS) will
1398     // be generated.
1399     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, &thisThread->mainHistory,
1400                                       &thisThread->captureHistory,
1401                                       contHist,
1402                                       to_sq((ss-1)->currentMove));
1403
1404     // Loop through the moves until no moves remain or a beta cutoff occurs
1405     while ((move = mp.next_move()) != MOVE_NONE)
1406     {
1407       assert(is_ok(move));
1408
1409       givesCheck = pos.gives_check(move);
1410
1411       moveCount++;
1412
1413       // Futility pruning
1414       if (   !inCheck
1415           && !givesCheck
1416           &&  futilityBase > -VALUE_KNOWN_WIN
1417           && !pos.advanced_pawn_push(move))
1418       {
1419           assert(type_of(move) != ENPASSANT); // Due to !pos.advanced_pawn_push
1420
1421           futilityValue = futilityBase + PieceValue[EG][pos.piece_on(to_sq(move))];
1422
1423           if (futilityValue <= alpha)
1424           {
1425               bestValue = std::max(bestValue, futilityValue);
1426               continue;
1427           }
1428
1429           if (futilityBase <= alpha && !pos.see_ge(move, VALUE_ZERO + 1))
1430           {
1431               bestValue = std::max(bestValue, futilityBase);
1432               continue;
1433           }
1434       }
1435
1436       // Detect non-capture evasions that are candidates to be pruned
1437       evasionPrunable =    inCheck
1438                        &&  (depth != DEPTH_ZERO || moveCount > 2)
1439                        &&  bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY
1440                        && !pos.capture(move);
1441
1442       // Don't search moves with negative SEE values
1443       if (  (!inCheck || evasionPrunable)
1444           && (!givesCheck || !(pos.blockers_for_king(~pos.side_to_move()) & from_sq(move)))
1445           && !pos.see_ge(move))
1446           continue;
1447
1448       // Speculative prefetch as early as possible
1449       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
1450
1451       // Check for legality just before making the move
1452       if (!pos.legal(move))
1453       {
1454           moveCount--;
1455           continue;
1456       }
1457
1458       ss->currentMove = move;
1459       ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[pos.moved_piece(move)][to_sq(move)];
1460
1461       // Make and search the move
1462       pos.do_move(move, st, givesCheck);
1463       value = -qsearch<NT>(pos, ss+1, -beta, -alpha, depth - ONE_PLY);
1464       pos.undo_move(move);
1465
1466       assert(value > -VALUE_INFINITE && value < VALUE_INFINITE);
1467
1468       // Check for a new best move
1469       if (value > bestValue)
1470       {
1471           bestValue = value;
1472
1473           if (value > alpha)
1474           {
1475               bestMove = move;
1476
1477               if (PvNode) // Update pv even in fail-high case
1478                   update_pv(ss->pv, move, (ss+1)->pv);
1479
1480               if (PvNode && value < beta) // Update alpha here!
1481                   alpha = value;
1482               else
1483                   break; // Fail high
1484           }
1485        }
1486     }
1487
1488     // All legal moves have been searched. A special case: If we're in check
1489     // and no legal moves were found, it is checkmate.
1490     if (inCheck && bestValue == -VALUE_INFINITE)
1491         return mated_in(ss->ply); // Plies to mate from the root
1492
1493     tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), pvHit,
1494               bestValue >= beta ? BOUND_LOWER :
1495               PvNode && bestValue > oldAlpha  ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1496               ttDepth, bestMove, ss->staticEval);
1497
1498     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1499
1500     return bestValue;
1501   }
1502
1503
1504   // value_to_tt() adjusts a mate score from "plies to mate from the root" to
1505   // "plies to mate from the current position". Non-mate scores are unchanged.
1506   // The function is called before storing a value in the transposition table.
1507
1508   Value value_to_tt(Value v, int ply) {
1509
1510     assert(v != VALUE_NONE);
1511
1512     return  v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v + ply
1513           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v - ply : v;
1514   }
1515
1516
1517   // value_from_tt() is the inverse of value_to_tt(): It adjusts a mate score
1518   // from the transposition table (which refers to the plies to mate/be mated
1519   // from current position) to "plies to mate/be mated from the root".
1520
1521   Value value_from_tt(Value v, int ply) {
1522
1523     return  v == VALUE_NONE             ? VALUE_NONE
1524           : v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v - ply
1525           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v + ply : v;
1526   }
1527
1528
1529   // update_pv() adds current move and appends child pv[]
1530
1531   void update_pv(Move* pv, Move move, Move* childPv) {
1532
1533     for (*pv++ = move; childPv && *childPv != MOVE_NONE; )
1534         *pv++ = *childPv++;
1535     *pv = MOVE_NONE;
1536   }
1537
1538
1539   // update_continuation_histories() updates histories of the move pairs formed
1540   // by moves at ply -1, -2, and -4 with current move.
1541
1542   void update_continuation_histories(Stack* ss, Piece pc, Square to, int bonus) {
1543
1544     for (int i : {1, 2, 4, 6})
1545         if (is_ok((ss-i)->currentMove))
1546             (*(ss-i)->continuationHistory)[pc][to] << bonus;
1547   }
1548
1549
1550   // update_capture_stats() updates move sorting heuristics when a new capture best move is found
1551
1552   void update_capture_stats(const Position& pos, Move move,
1553                             Move* captures, int captureCount, int bonus) {
1554
1555       CapturePieceToHistory& captureHistory = pos.this_thread()->captureHistory;
1556       Piece moved_piece = pos.moved_piece(move);
1557       PieceType captured = type_of(pos.piece_on(to_sq(move)));
1558
1559       if (pos.capture_or_promotion(move))
1560           captureHistory[moved_piece][to_sq(move)][captured] << bonus;
1561
1562       // Decrease all the other played capture moves
1563       for (int i = 0; i < captureCount; ++i)
1564       {
1565           moved_piece = pos.moved_piece(captures[i]);
1566           captured = type_of(pos.piece_on(to_sq(captures[i])));
1567           captureHistory[moved_piece][to_sq(captures[i])][captured] << -bonus;
1568       }
1569   }
1570
1571
1572   // update_quiet_stats() updates move sorting heuristics when a new quiet best move is found
1573
1574   void update_quiet_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move move,
1575                           Move* quiets, int quietCount, int bonus) {
1576
1577     if (ss->killers[0] != move)
1578     {
1579         ss->killers[1] = ss->killers[0];
1580         ss->killers[0] = move;
1581     }
1582
1583     Color us = pos.side_to_move();
1584     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1585     thisThread->mainHistory[us][from_to(move)] << bonus;
1586     update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(move), to_sq(move), bonus);
1587
1588     if (is_ok((ss-1)->currentMove))
1589     {
1590         Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
1591         thisThread->counterMoves[pos.piece_on(prevSq)][prevSq] = move;
1592     }
1593
1594     // Decrease all the other played quiet moves
1595     for (int i = 0; i < quietCount; ++i)
1596     {
1597         thisThread->mainHistory[us][from_to(quiets[i])] << -bonus;
1598         update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(quiets[i]), to_sq(quiets[i]), -bonus);
1599     }
1600   }
1601
1602   // When playing with strength handicap, choose best move among a set of RootMoves
1603   // using a statistical rule dependent on 'level'. Idea by Heinz van Saanen.
1604
1605   Move Skill::pick_best(size_t multiPV) {
1606
1607     const RootMoves& rootMoves = Threads.main()->rootMoves;
1608     static PRNG rng(now()); // PRNG sequence should be non-deterministic
1609
1610     // RootMoves are already sorted by score in descending order
1611     Value topScore = rootMoves[0].score;
1612     int delta = std::min(topScore - rootMoves[multiPV - 1].score, PawnValueMg);
1613     int weakness = 120 - 2 * level;
1614     int maxScore = -VALUE_INFINITE;
1615
1616     // Choose best move. For each move score we add two terms, both dependent on
1617     // weakness. One is deterministic and bigger for weaker levels, and one is
1618     // random. Then we choose the move with the resulting highest score.
1619     for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1620     {
1621         // This is our magic formula
1622         int push = (  weakness * int(topScore - rootMoves[i].score)
1623                     + delta * (rng.rand<unsigned>() % weakness)) / 128;
1624
1625         if (rootMoves[i].score + push >= maxScore)
1626         {
1627             maxScore = rootMoves[i].score + push;
1628             best = rootMoves[i].pv[0];
1629         }
1630     }
1631
1632     return best;
1633   }
1634
1635 } // namespace
1636
1637 /// MainThread::check_time() is used to print debug info and, more importantly,
1638 /// to detect when we are out of available time and thus stop the search.
1639
1640 void MainThread::check_time() {
1641
1642   if (--callsCnt > 0)
1643       return;
1644
1645   // When using nodes, ensure checking rate is not lower than 0.1% of nodes
1646   callsCnt = Limits.nodes ? std::min(1024, int(Limits.nodes / 1024)) : 1024;
1647
1648   static TimePoint lastInfoTime = now();
1649
1650   TimePoint elapsed = Time.elapsed();
1651   TimePoint tick = Limits.startTime + elapsed;
1652
1653   if (tick - lastInfoTime >= 1000)
1654   {
1655       lastInfoTime = tick;
1656       dbg_print();
1657   }
1658
1659   // We should not stop pondering until told so by the GUI
1660   if (ponder)
1661       return;
1662
1663   if (   (Limits.use_time_management() && (elapsed > Time.maximum() - 10 || stopOnPonderhit))
1664       || (Limits.movetime && elapsed >= Limits.movetime)
1665       || (Limits.nodes && Threads.nodes_searched() >= (uint64_t)Limits.nodes))
1666       Threads.stop = true;
1667 }
1668
1669
1670 /// UCI::pv() formats PV information according to the UCI protocol. UCI requires
1671 /// that all (if any) unsearched PV lines are sent using a previous search score.
1672
1673 string UCI::pv(const Position& pos, Depth depth, Value alpha, Value beta) {
1674
1675   std::stringstream ss;
1676   TimePoint elapsed = Time.elapsed() + 1;
1677   const RootMoves& rootMoves = pos.this_thread()->rootMoves;
1678   size_t pvIdx = pos.this_thread()->pvIdx;
1679   size_t multiPV = std::min((size_t)Options["MultiPV"], rootMoves.size());
1680   uint64_t nodesSearched = Threads.nodes_searched();
1681   uint64_t tbHits = Threads.tb_hits() + (TB::RootInTB ? rootMoves.size() : 0);
1682
1683   for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1684   {
1685       bool updated = (i <= pvIdx && rootMoves[i].score != -VALUE_INFINITE);
1686
1687       if (depth == ONE_PLY && !updated)
1688           continue;
1689
1690       Depth d = updated ? depth : depth - ONE_PLY;
1691       Value v = updated ? rootMoves[i].score : rootMoves[i].previousScore;
1692
1693       bool tb = TB::RootInTB && abs(v) < VALUE_MATE - MAX_PLY;
1694       v = tb ? rootMoves[i].tbScore : v;
1695
1696       if (ss.rdbuf()->in_avail()) // Not at first line
1697           ss << "\n";
1698
1699       ss << "info"
1700          << " depth "    << d / ONE_PLY
1701          << " seldepth " << rootMoves[i].selDepth
1702          << " multipv "  << i + 1
1703          << " score "    << UCI::value(v);
1704
1705       if (!tb && i == pvIdx)
1706           ss << (v >= beta ? " lowerbound" : v <= alpha ? " upperbound" : "");
1707
1708       ss << " nodes "    << nodesSearched
1709          << " nps "      << nodesSearched * 1000 / elapsed;
1710
1711       if (elapsed > 1000) // Earlier makes little sense
1712           ss << " hashfull " << TT.hashfull();
1713
1714       ss << " tbhits "   << tbHits
1715          << " time "     << elapsed
1716          << " pv";
1717
1718       for (Move m : rootMoves[i].pv)
1719           ss << " " << UCI::move(m, pos.is_chess960());
1720   }
1721
1722   return ss.str();
1723 }
1724
1725
1726 /// RootMove::extract_ponder_from_tt() is called in case we have no ponder move
1727 /// before exiting the search, for instance, in case we stop the search during a
1728 /// fail high at root. We try hard to have a ponder move to return to the GUI,
1729 /// otherwise in case of 'ponder on' we have nothing to think on.
1730
1731 bool RootMove::extract_ponder_from_tt(Position& pos) {
1732
1733     StateInfo st;
1734     bool ttHit;
1735
1736     assert(pv.size() == 1);
1737
1738     if (pv[0] == MOVE_NONE)
1739         return false;
1740
1741     pos.do_move(pv[0], st);
1742     TTEntry* tte = TT.probe(pos.key(), ttHit);
1743
1744     if (ttHit)
1745     {
1746         Move m = tte->move(); // Local copy to be SMP safe
1747         if (MoveList<LEGAL>(pos).contains(m))
1748             pv.push_back(m);
1749     }
1750
1751     pos.undo_move(pv[0]);
1752     return pv.size() > 1;
1753 }
1754
1755 void Tablebases::rank_root_moves(Position& pos, Search::RootMoves& rootMoves) {
1756
1757     RootInTB = false;
1758     UseRule50 = bool(Options["Syzygy50MoveRule"]);
1759     ProbeDepth = int(Options["SyzygyProbeDepth"]) * ONE_PLY;
1760     Cardinality = int(Options["SyzygyProbeLimit"]);
1761     bool dtz_available = true;
1762
1763     // Tables with fewer pieces than SyzygyProbeLimit are searched with
1764     // ProbeDepth == DEPTH_ZERO
1765     if (Cardinality > MaxCardinality)
1766     {
1767         Cardinality = MaxCardinality;
1768         ProbeDepth = DEPTH_ZERO;
1769     }
1770
1771     if (Cardinality >= popcount(pos.pieces()) && !pos.can_castle(ANY_CASTLING))
1772     {
1773         // Rank moves using DTZ tables
1774         RootInTB = root_probe(pos, rootMoves);
1775
1776         if (!RootInTB)
1777         {
1778             // DTZ tables are missing; try to rank moves using WDL tables
1779             dtz_available = false;
1780             RootInTB = root_probe_wdl(pos, rootMoves);
1781         }
1782     }
1783
1784     if (RootInTB)
1785     {
1786         // Sort moves according to TB rank
1787         std::sort(rootMoves.begin(), rootMoves.end(),
1788                   [](const RootMove &a, const RootMove &b) { return a.tbRank > b.tbRank; } );
1789
1790         // Probe during search only if DTZ is not available and we are winning
1791         if (dtz_available || rootMoves[0].tbScore <= VALUE_DRAW)
1792             Cardinality = 0;
1793     }
1794     else
1795     {
1796         // Clean up if root_probe() and root_probe_wdl() have failed
1797         for (auto& m : rootMoves)
1798             m.tbRank = 0;
1799     }
1800 }