4b90ab1c973fc7fd60fdca3da67c4bada26648d8
[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 = 661;
66   Value futility_margin(Depth d, bool improving) {
67     return Value(198 * (d - improving));
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] * Reductions[mn];
75     return (r + 520) / 1024 + (!i && r > 999);
76   }
77
78   constexpr int futility_move_count(bool improving, Depth 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 d) {
84     return d > 17 ? -8 : 22 * d * d + 151 * d - 140;
85   }
86
87   // Add a small random component to draw evaluations to avoid 3fold-blindness
88   Value value_draw(Thread* thisThread) {
89     return VALUE_DRAW + Value(2 * (thisThread->nodes & 1) - 1);
90   }
91
92   // Skill structure is used to implement strength limit
93   struct Skill {
94     explicit Skill(int l) : level(l) {}
95     bool enabled() const { return level < 20; }
96     bool time_to_pick(Depth depth) const { return depth == 1 + level; }
97     Move pick_best(size_t multiPV);
98
99     int level;
100     Move best = MOVE_NONE;
101   };
102
103   // Breadcrumbs are used to mark nodes as being searched by a given thread
104   struct Breadcrumb {
105     std::atomic<Thread*> thread;
106     std::atomic<Key> key;
107   };
108   std::array<Breadcrumb, 1024> breadcrumbs;
109
110   // ThreadHolding structure keeps track of which thread left breadcrumbs at the given
111   // node for potential reductions. A free node will be marked upon entering the moves
112   // loop by the constructor, and unmarked upon leaving that loop by the destructor.
113   struct ThreadHolding {
114     explicit ThreadHolding(Thread* thisThread, Key posKey, int ply) {
115        location = ply < 8 ? &breadcrumbs[posKey & (breadcrumbs.size() - 1)] : nullptr;
116        otherThread = false;
117        owning = false;
118        if (location)
119        {
120           // See if another already marked this location, if not, mark it ourselves
121           Thread* tmp = (*location).thread.load(std::memory_order_relaxed);
122           if (tmp == nullptr)
123           {
124               (*location).thread.store(thisThread, std::memory_order_relaxed);
125               (*location).key.store(posKey, std::memory_order_relaxed);
126               owning = true;
127           }
128           else if (   tmp != thisThread
129                    && (*location).key.load(std::memory_order_relaxed) == posKey)
130               otherThread = true;
131        }
132     }
133
134     ~ThreadHolding() {
135        if (owning) // Free the marked location
136            (*location).thread.store(nullptr, std::memory_order_relaxed);
137     }
138
139     bool marked() { return otherThread; }
140
141     private:
142     Breadcrumb* location;
143     bool otherThread, owning;
144   };
145
146   template <NodeType NT>
147   Value search(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth, bool cutNode);
148
149   template <NodeType NT>
150   Value qsearch(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth = 0);
151
152   Value value_to_tt(Value v, int ply);
153   Value value_from_tt(Value v, int ply);
154   void update_pv(Move* pv, Move move, Move* childPv);
155   void update_continuation_histories(Stack* ss, Piece pc, Square to, int bonus);
156   void update_quiet_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move move, int bonus);
157   void update_all_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move bestMove, Value bestValue, Value beta, Square prevSq,
158                         Move* quietsSearched, int quietCount, Move* capturesSearched, int captureCount, Depth depth);
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);
168
169     for (const auto& m : MoveList<LEGAL>(pos))
170     {
171         if (Root && depth <= 1)
172             cnt = 1, nodes++;
173         else
174         {
175             pos.do_move(m, st);
176             cnt = leaf ? MoveList<LEGAL>(pos).size() : perft<false>(pos, depth - 1);
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((23.4 + std::log(Threads.size()) / 2) * 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);
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
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 (bestThread->rootMoves[0].score >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
291           {
292               // Make sure we pick the shortest mate
293               if (th->rootMoves[0].score > bestThread->rootMoves[0].score)
294                   bestThread = th;
295           }
296           else if (   th->rootMoves[0].score >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY
297                    || votes[th->rootMoves[0].pv[0]] > votes[bestThread->rootMoves[0].pv[0]])
298               bestThread = th;
299       }
300   }
301
302   previousScore = bestThread->rootMoves[0].score;
303
304   // Send again PV info if we have a new best thread
305   if (bestThread != this)
306       sync_cout << UCI::pv(bestThread->rootPos, bestThread->completedDepth, -VALUE_INFINITE, VALUE_INFINITE) << sync_endl;
307
308   sync_cout << "bestmove " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[0], rootPos.is_chess960());
309
310   if (bestThread->rootMoves[0].pv.size() > 1 || bestThread->rootMoves[0].extract_ponder_from_tt(rootPos))
311       std::cout << " ponder " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[1], rootPos.is_chess960());
312
313   std::cout << sync_endl;
314 }
315
316
317 /// Thread::search() is the main iterative deepening loop. It calls search()
318 /// repeatedly with increasing depth until the allocated thinking time has been
319 /// consumed, the user stops the search, or the maximum search depth is reached.
320
321 void Thread::search() {
322
323   // To allow access to (ss-7) up to (ss+2), the stack must be oversized.
324   // The former is needed to allow update_continuation_histories(ss-1, ...),
325   // which accesses its argument at ss-6, also near the root.
326   // The latter is needed for statScores and killer initialization.
327   Stack stack[MAX_PLY+10], *ss = stack+7;
328   Move  pv[MAX_PLY+1];
329   Value bestValue, alpha, beta, delta;
330   Move  lastBestMove = MOVE_NONE;
331   Depth lastBestMoveDepth = 0;
332   MainThread* mainThread = (this == Threads.main() ? Threads.main() : nullptr);
333   double timeReduction = 1, totBestMoveChanges = 0;
334   Color us = rootPos.side_to_move();
335
336   std::memset(ss-7, 0, 10 * sizeof(Stack));
337   for (int i = 7; i > 0; i--)
338       (ss-i)->continuationHistory = &this->continuationHistory[0][0][NO_PIECE][0]; // Use as a sentinel
339
340   ss->pv = pv;
341
342   bestValue = delta = alpha = -VALUE_INFINITE;
343   beta = VALUE_INFINITE;
344
345   size_t multiPV = Options["MultiPV"];
346
347   // Pick integer skill levels, but non-deterministically round up or down
348   // such that the average integer skill corresponds to the input floating point one.
349   // UCI_Elo is converted to a suitable fractional skill level, using anchoring
350   // to CCRL Elo (goldfish 1.13 = 2000) and a fit through Ordo derived Elo
351   // for match (TC 60+0.6) results spanning a wide range of k values.
352   PRNG rng(now());
353   double floatLevel = Options["UCI_LimitStrength"] ?
354                         clamp(std::pow((Options["UCI_Elo"] - 1346.6) / 143.4, 1 / 0.806), 0.0, 20.0) :
355                         double(Options["Skill Level"]);
356   int intLevel = int(floatLevel) +
357                  ((floatLevel - int(floatLevel)) * 1024 > rng.rand<unsigned>() % 1024  ? 1 : 0);
358   Skill skill(intLevel);
359
360   // When playing with strength handicap enable MultiPV search that we will
361   // use behind the scenes to retrieve a set of possible moves.
362   if (skill.enabled())
363       multiPV = std::max(multiPV, (size_t)4);
364
365   multiPV = std::min(multiPV, rootMoves.size());
366
367   int ct = int(Options["Contempt"]) * PawnValueEg / 100; // From centipawns
368
369   // In analysis mode, adjust contempt in accordance with user preference
370   if (Limits.infinite || Options["UCI_AnalyseMode"])
371       ct =  Options["Analysis Contempt"] == "Off"  ? 0
372           : Options["Analysis Contempt"] == "Both" ? ct
373           : Options["Analysis Contempt"] == "White" && us == BLACK ? -ct
374           : Options["Analysis Contempt"] == "Black" && us == WHITE ? -ct
375           : ct;
376
377   // Evaluation score is from the white point of view
378   contempt = (us == WHITE ?  make_score(ct, ct / 2)
379                           : -make_score(ct, ct / 2));
380
381   // Iterative deepening loop until requested to stop or the target depth is reached
382   while (   ++rootDepth < MAX_PLY
383          && !Threads.stop
384          && !(Limits.depth && mainThread && rootDepth > Limits.depth))
385   {
386       // Age out PV variability metric
387       if (mainThread)
388           totBestMoveChanges /= 2;
389
390       // Save the last iteration's scores before first PV line is searched and
391       // all the move scores except the (new) PV are set to -VALUE_INFINITE.
392       for (RootMove& rm : rootMoves)
393           rm.previousScore = rm.score;
394
395       size_t pvFirst = 0;
396       pvLast = 0;
397
398       // MultiPV loop. We perform a full root search for each PV line
399       for (pvIdx = 0; pvIdx < multiPV && !Threads.stop; ++pvIdx)
400       {
401           if (pvIdx == pvLast)
402           {
403               pvFirst = pvLast;
404               for (pvLast++; pvLast < rootMoves.size(); pvLast++)
405                   if (rootMoves[pvLast].tbRank != rootMoves[pvFirst].tbRank)
406                       break;
407           }
408
409           // Reset UCI info selDepth for each depth and each PV line
410           selDepth = 0;
411
412           // Reset aspiration window starting size
413           if (rootDepth >= 4)
414           {
415               Value previousScore = rootMoves[pvIdx].previousScore;
416               delta = Value(21 + abs(previousScore) / 128);
417               alpha = std::max(previousScore - delta,-VALUE_INFINITE);
418               beta  = std::min(previousScore + delta, VALUE_INFINITE);
419
420               // Adjust contempt based on root move's previousScore (dynamic contempt)
421               int dct = ct + (111 - ct / 2) * previousScore / (abs(previousScore) + 176);
422
423               contempt = (us == WHITE ?  make_score(dct, dct / 2)
424                                       : -make_score(dct, dct / 2));
425           }
426
427           // Start with a small aspiration window and, in the case of a fail
428           // high/low, re-search with a bigger window until we don't fail
429           // high/low anymore.
430           int failedHighCnt = 0;
431           while (true)
432           {
433               Depth adjustedDepth = std::max(1, rootDepth - failedHighCnt);
434               bestValue = ::search<PV>(rootPos, ss, alpha, beta, adjustedDepth, false);
435
436               // Bring the best move to the front. It is critical that sorting
437               // is done with a stable algorithm because all the values but the
438               // first and eventually the new best one are set to -VALUE_INFINITE
439               // and we want to keep the same order for all the moves except the
440               // new PV that goes to the front. Note that in case of MultiPV
441               // search the already searched PV lines are preserved.
442               std::stable_sort(rootMoves.begin() + pvIdx, rootMoves.begin() + pvLast);
443
444               // If search has been stopped, we break immediately. Sorting is
445               // safe because RootMoves is still valid, although it refers to
446               // the previous iteration.
447               if (Threads.stop)
448                   break;
449
450               // When failing high/low give some update (without cluttering
451               // the UI) before a re-search.
452               if (   mainThread
453                   && multiPV == 1
454                   && (bestValue <= alpha || bestValue >= beta)
455                   && Time.elapsed() > 3000)
456                   sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
457
458               // In case of failing low/high increase aspiration window and
459               // re-search, otherwise exit the loop.
460               if (bestValue <= alpha)
461               {
462                   beta = (alpha + beta) / 2;
463                   alpha = std::max(bestValue - delta, -VALUE_INFINITE);
464
465                   failedHighCnt = 0;
466                   if (mainThread)
467                       mainThread->stopOnPonderhit = false;
468               }
469               else if (bestValue >= beta)
470               {
471                   beta = std::min(bestValue + delta, VALUE_INFINITE);
472                   ++failedHighCnt;
473               }
474               else
475               {
476                   ++rootMoves[pvIdx].bestMoveCount;
477                   break;
478               }
479
480               delta += delta / 4 + 5;
481
482               assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && beta <= VALUE_INFINITE);
483           }
484
485           // Sort the PV lines searched so far and update the GUI
486           std::stable_sort(rootMoves.begin() + pvFirst, rootMoves.begin() + pvIdx + 1);
487
488           if (    mainThread
489               && (Threads.stop || pvIdx + 1 == multiPV || Time.elapsed() > 3000))
490               sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
491       }
492
493       if (!Threads.stop)
494           completedDepth = rootDepth;
495
496       if (rootMoves[0].pv[0] != lastBestMove) {
497          lastBestMove = rootMoves[0].pv[0];
498          lastBestMoveDepth = rootDepth;
499       }
500
501       // Have we found a "mate in x"?
502       if (   Limits.mate
503           && bestValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY
504           && VALUE_MATE - bestValue <= 2 * Limits.mate)
505           Threads.stop = true;
506
507       if (!mainThread)
508           continue;
509
510       // If skill level is enabled and time is up, pick a sub-optimal best move
511       if (skill.enabled() && skill.time_to_pick(rootDepth))
512           skill.pick_best(multiPV);
513
514       // Do we have time for the next iteration? Can we stop searching now?
515       if (    Limits.use_time_management()
516           && !Threads.stop
517           && !mainThread->stopOnPonderhit)
518       {
519           double fallingEval = (354 + 10 * (mainThread->previousScore - bestValue)) / 692.0;
520           fallingEval = clamp(fallingEval, 0.5, 1.5);
521
522           // If the bestMove is stable over several iterations, reduce time accordingly
523           timeReduction = lastBestMoveDepth + 9 < completedDepth ? 1.97 : 0.98;
524           double reduction = (1.36 + mainThread->previousTimeReduction) / (2.29 * timeReduction);
525
526           // Use part of the gained time from a previous stable move for the current move
527           for (Thread* th : Threads)
528           {
529               totBestMoveChanges += th->bestMoveChanges;
530               th->bestMoveChanges = 0;
531           }
532           double bestMoveInstability = 1 + totBestMoveChanges / Threads.size();
533
534           // Stop the search if we have only one legal move, or if available time elapsed
535           if (   rootMoves.size() == 1
536               || Time.elapsed() > Time.optimum() * fallingEval * reduction * bestMoveInstability)
537           {
538               // If we are allowed to ponder do not stop the search now but
539               // keep pondering until the GUI sends "ponderhit" or "stop".
540               if (mainThread->ponder)
541                   mainThread->stopOnPonderhit = true;
542               else
543                   Threads.stop = true;
544           }
545       }
546   }
547
548   if (!mainThread)
549       return;
550
551   mainThread->previousTimeReduction = timeReduction;
552
553   // If skill level is enabled, swap best PV line with the sub-optimal one
554   if (skill.enabled())
555       std::swap(rootMoves[0], *std::find(rootMoves.begin(), rootMoves.end(),
556                 skill.best ? skill.best : skill.pick_best(multiPV)));
557 }
558
559
560 namespace {
561
562   // search<>() is the main search function for both PV and non-PV nodes
563
564   template <NodeType NT>
565   Value search(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth, bool cutNode) {
566
567     constexpr bool PvNode = NT == PV;
568     const bool rootNode = PvNode && ss->ply == 0;
569
570     // Check if we have an upcoming move which draws by repetition, or
571     // if the opponent had an alternative move earlier to this position.
572     if (   pos.rule50_count() >= 3
573         && alpha < VALUE_DRAW
574         && !rootNode
575         && pos.has_game_cycle(ss->ply))
576     {
577         alpha = value_draw(pos.this_thread());
578         if (alpha >= beta)
579             return alpha;
580     }
581
582     // Dive into quiescence search when the depth reaches zero
583     if (depth <= 0)
584         return qsearch<NT>(pos, ss, alpha, beta);
585
586     assert(-VALUE_INFINITE <= alpha && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
587     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
588     assert(0 < depth && depth < MAX_PLY);
589     assert(!(PvNode && cutNode));
590
591     Move pv[MAX_PLY+1], capturesSearched[32], quietsSearched[64];
592     StateInfo st;
593     TTEntry* tte;
594     Key posKey;
595     Move ttMove, move, excludedMove, bestMove;
596     Depth extension, newDepth;
597     Value bestValue, value, ttValue, eval, maxValue;
598     bool ttHit, ttPv, inCheck, givesCheck, improving, didLMR, priorCapture;
599     bool captureOrPromotion, doFullDepthSearch, moveCountPruning, ttCapture, singularLMR;
600     Piece movedPiece;
601     int moveCount, captureCount, quietCount;
602
603     // Step 1. Initialize node
604     Thread* thisThread = pos.this_thread();
605     inCheck = pos.checkers();
606     priorCapture = pos.captured_piece();
607     Color us = pos.side_to_move();
608     moveCount = captureCount = quietCount = ss->moveCount = 0;
609     bestValue = -VALUE_INFINITE;
610     maxValue = VALUE_INFINITE;
611
612     // Check for the available remaining time
613     if (thisThread == Threads.main())
614         static_cast<MainThread*>(thisThread)->check_time();
615
616     // Used to send selDepth info to GUI (selDepth counts from 1, ply from 0)
617     if (PvNode && thisThread->selDepth < ss->ply + 1)
618         thisThread->selDepth = ss->ply + 1;
619
620     if (!rootNode)
621     {
622         // Step 2. Check for aborted search and immediate draw
623         if (   Threads.stop.load(std::memory_order_relaxed)
624             || pos.is_draw(ss->ply)
625             || ss->ply >= MAX_PLY)
626             return (ss->ply >= MAX_PLY && !inCheck) ? evaluate(pos)
627                                                     : value_draw(pos.this_thread());
628
629         // Step 3. Mate distance pruning. Even if we mate at the next move our score
630         // would be at best mate_in(ss->ply+1), but if alpha is already bigger because
631         // a shorter mate was found upward in the tree then there is no need to search
632         // because we will never beat the current alpha. Same logic but with reversed
633         // signs applies also in the opposite condition of being mated instead of giving
634         // mate. In this case return a fail-high score.
635         alpha = std::max(mated_in(ss->ply), alpha);
636         beta = std::min(mate_in(ss->ply+1), beta);
637         if (alpha >= beta)
638             return alpha;
639     }
640
641     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
642
643     (ss+1)->ply = ss->ply + 1;
644     (ss+1)->excludedMove = bestMove = MOVE_NONE;
645     (ss+2)->killers[0] = (ss+2)->killers[1] = MOVE_NONE;
646     Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
647
648     // Initialize statScore to zero for the grandchildren of the current position.
649     // So statScore is shared between all grandchildren and only the first grandchild
650     // starts with statScore = 0. Later grandchildren start with the last calculated
651     // statScore of the previous grandchild. This influences the reduction rules in
652     // LMR which are based on the statScore of parent position.
653     if (rootNode)
654         (ss+4)->statScore = 0;
655     else
656         (ss+2)->statScore = 0;
657
658     // Step 4. Transposition table lookup. We don't want the score of a partial
659     // search to overwrite a previous full search TT value, so we use a different
660     // position key in case of an excluded move.
661     excludedMove = ss->excludedMove;
662     posKey = pos.key() ^ Key(excludedMove << 16); // Isn't a very good hash
663     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
664     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
665     ttMove =  rootNode ? thisThread->rootMoves[thisThread->pvIdx].pv[0]
666             : ttHit    ? tte->move() : MOVE_NONE;
667     ttPv = PvNode || (ttHit && tte->is_pv());
668
669     // At non-PV nodes we check for an early TT cutoff
670     if (  !PvNode
671         && ttHit
672         && tte->depth() >= depth
673         && ttValue != VALUE_NONE // Possible in case of TT access race
674         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() & BOUND_LOWER)
675                             : (tte->bound() & BOUND_UPPER)))
676     {
677         // If ttMove is quiet, update move sorting heuristics on TT hit
678         if (ttMove)
679         {
680             if (ttValue >= beta)
681             {
682                 if (!pos.capture_or_promotion(ttMove))
683                     update_quiet_stats(pos, ss, ttMove, stat_bonus(depth));
684
685                 // Extra penalty for early quiet moves of the previous ply
686                 if ((ss-1)->moveCount <= 2 && !priorCapture)
687                     update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, -stat_bonus(depth + 1));
688             }
689             // Penalty for a quiet ttMove that fails low
690             else if (!pos.capture_or_promotion(ttMove))
691             {
692                 int penalty = -stat_bonus(depth);
693                 thisThread->mainHistory[us][from_to(ttMove)] << penalty;
694                 update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(ttMove), to_sq(ttMove), penalty);
695             }
696         }
697         return ttValue;
698     }
699
700     // Step 5. Tablebases probe
701     if (!rootNode && TB::Cardinality)
702     {
703         int piecesCount = pos.count<ALL_PIECES>();
704
705         if (    piecesCount <= TB::Cardinality
706             && (piecesCount <  TB::Cardinality || depth >= TB::ProbeDepth)
707             &&  pos.rule50_count() == 0
708             && !pos.can_castle(ANY_CASTLING))
709         {
710             TB::ProbeState err;
711             TB::WDLScore wdl = Tablebases::probe_wdl(pos, &err);
712
713             // Force check of time on the next occasion
714             if (thisThread == Threads.main())
715                 static_cast<MainThread*>(thisThread)->callsCnt = 0;
716
717             if (err != TB::ProbeState::FAIL)
718             {
719                 thisThread->tbHits.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
720
721                 int drawScore = TB::UseRule50 ? 1 : 0;
722
723                 value =  wdl < -drawScore ? -VALUE_MATE + MAX_PLY + ss->ply + 1
724                        : wdl >  drawScore ?  VALUE_MATE - MAX_PLY - ss->ply - 1
725                                           :  VALUE_DRAW + 2 * wdl * drawScore;
726
727                 Bound b =  wdl < -drawScore ? BOUND_UPPER
728                          : wdl >  drawScore ? BOUND_LOWER : BOUND_EXACT;
729
730                 if (    b == BOUND_EXACT
731                     || (b == BOUND_LOWER ? value >= beta : value <= alpha))
732                 {
733                     tte->save(posKey, value_to_tt(value, ss->ply), ttPv, b,
734                               std::min(MAX_PLY - 1, depth + 6),
735                               MOVE_NONE, VALUE_NONE);
736
737                     return value;
738                 }
739
740                 if (PvNode)
741                 {
742                     if (b == BOUND_LOWER)
743                         bestValue = value, alpha = std::max(alpha, bestValue);
744                     else
745                         maxValue = value;
746                 }
747             }
748         }
749     }
750
751     // Step 6. Static evaluation of the position
752     if (inCheck)
753     {
754         ss->staticEval = eval = VALUE_NONE;
755         improving = false;
756         goto moves_loop;  // Skip early pruning when in check
757     }
758     else if (ttHit)
759     {
760         // Never assume anything about values stored in TT
761         ss->staticEval = eval = tte->eval();
762         if (eval == VALUE_NONE)
763             ss->staticEval = eval = evaluate(pos);
764
765         if (eval == VALUE_DRAW)
766             eval = value_draw(thisThread);
767
768         // Can ttValue be used as a better position evaluation?
769         if (    ttValue != VALUE_NONE
770             && (tte->bound() & (ttValue > eval ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER)))
771             eval = ttValue;
772     }
773     else
774     {
775         if ((ss-1)->currentMove != MOVE_NULL)
776         {
777             int bonus = -(ss-1)->statScore / 512;
778
779             ss->staticEval = eval = evaluate(pos) + bonus;
780         }
781         else
782             ss->staticEval = eval = -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
783
784         tte->save(posKey, VALUE_NONE, ttPv, BOUND_NONE, DEPTH_NONE, MOVE_NONE, eval);
785     }
786
787     // Step 7. Razoring (~2 Elo)
788     if (   !rootNode // The required rootNode PV handling is not available in qsearch
789         &&  depth < 2
790         &&  eval <= alpha - RazorMargin)
791         return qsearch<NT>(pos, ss, alpha, beta);
792
793     improving =   ss->staticEval >= (ss-2)->staticEval
794                || (ss-2)->staticEval == VALUE_NONE;
795
796     // Step 8. Futility pruning: child node (~30 Elo)
797     if (   !PvNode
798         &&  depth < 7
799         &&  eval - futility_margin(depth, improving) >= beta
800         &&  eval < VALUE_KNOWN_WIN) // Do not return unproven wins
801         return eval;
802
803     // Step 9. Null move search with verification search (~40 Elo)
804     if (   !PvNode
805         && (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL
806         && (ss-1)->statScore < 22661
807         &&  eval >= beta
808         &&  eval >= ss->staticEval
809         &&  ss->staticEval >= beta - 33 * depth + 299 - improving * 30
810         && !excludedMove
811         &&  pos.non_pawn_material(us)
812         && (ss->ply >= thisThread->nmpMinPly || us != thisThread->nmpColor))
813     {
814         assert(eval - beta >= 0);
815
816         // Null move dynamic reduction based on depth and value
817         Depth R = (835 + 70 * depth) / 256 + std::min(int(eval - beta) / 185, 3);
818
819         ss->currentMove = MOVE_NULL;
820         ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[0][0][NO_PIECE][0];
821
822         pos.do_null_move(st);
823
824         Value nullValue = -search<NonPV>(pos, ss+1, -beta, -beta+1, depth-R, !cutNode);
825
826         pos.undo_null_move();
827
828         if (nullValue >= beta)
829         {
830             // Do not return unproven mate scores
831             if (nullValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
832                 nullValue = beta;
833
834             if (thisThread->nmpMinPly || (abs(beta) < VALUE_KNOWN_WIN && depth < 13))
835                 return nullValue;
836
837             assert(!thisThread->nmpMinPly); // Recursive verification is not allowed
838
839             // Do verification search at high depths, with null move pruning disabled
840             // for us, until ply exceeds nmpMinPly.
841             thisThread->nmpMinPly = ss->ply + 3 * (depth-R) / 4;
842             thisThread->nmpColor = us;
843
844             Value v = search<NonPV>(pos, ss, beta-1, beta, depth-R, false);
845
846             thisThread->nmpMinPly = 0;
847
848             if (v >= beta)
849                 return nullValue;
850         }
851     }
852
853     // Step 10. ProbCut (~10 Elo)
854     // If we have a good enough capture and a reduced search returns a value
855     // much above beta, we can (almost) safely prune the previous move.
856     if (   !PvNode
857         &&  depth >= 5
858         &&  abs(beta) < VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
859     {
860         Value raisedBeta = std::min(beta + 191 - 46 * improving, VALUE_INFINITE);
861         MovePicker mp(pos, ttMove, raisedBeta - ss->staticEval, &thisThread->captureHistory);
862         int probCutCount = 0;
863
864         while (  (move = mp.next_move()) != MOVE_NONE
865                && probCutCount < 2 + 2 * cutNode)
866             if (move != excludedMove && pos.legal(move))
867             {
868                 assert(pos.capture_or_promotion(move));
869                 assert(depth >= 5);
870
871                 captureOrPromotion = true;
872                 probCutCount++;
873
874                 ss->currentMove = move;
875                 ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[inCheck]
876                                                                           [captureOrPromotion]
877                                                                           [pos.moved_piece(move)]
878                                                                           [to_sq(move)];
879
880                 pos.do_move(move, st);
881
882                 // Perform a preliminary qsearch to verify that the move holds
883                 value = -qsearch<NonPV>(pos, ss+1, -raisedBeta, -raisedBeta+1);
884
885                 // If the qsearch held, perform the regular search
886                 if (value >= raisedBeta)
887                     value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -raisedBeta, -raisedBeta+1, depth - 4, !cutNode);
888
889                 pos.undo_move(move);
890
891                 if (value >= raisedBeta)
892                     return value;
893             }
894     }
895
896     // Step 11. Internal iterative deepening (~2 Elo)
897     if (depth >= 7 && !ttMove)
898     {
899         search<NT>(pos, ss, alpha, beta, depth - 7, cutNode);
900
901         tte = TT.probe(posKey, ttHit);
902         ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
903         ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
904     }
905
906 moves_loop: // When in check, search starts from here
907
908     const PieceToHistory* contHist[] = { (ss-1)->continuationHistory, (ss-2)->continuationHistory,
909                                           nullptr                   , (ss-4)->continuationHistory,
910                                           nullptr                   , (ss-6)->continuationHistory };
911
912     Move countermove = thisThread->counterMoves[pos.piece_on(prevSq)][prevSq];
913
914     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, &thisThread->mainHistory,
915                                       &thisThread->captureHistory,
916                                       contHist,
917                                       countermove,
918                                       ss->killers);
919
920     value = bestValue;
921     singularLMR = moveCountPruning = false;
922     ttCapture = ttMove && pos.capture_or_promotion(ttMove);
923
924     // Mark this node as being searched
925     ThreadHolding th(thisThread, posKey, ss->ply);
926
927     // Step 12. Loop through all pseudo-legal moves until no moves remain
928     // or a beta cutoff occurs.
929     while ((move = mp.next_move(moveCountPruning)) != MOVE_NONE)
930     {
931       assert(is_ok(move));
932
933       if (move == excludedMove)
934           continue;
935
936       // At root obey the "searchmoves" option and skip moves not listed in Root
937       // Move List. As a consequence any illegal move is also skipped. In MultiPV
938       // mode we also skip PV moves which have been already searched and those
939       // of lower "TB rank" if we are in a TB root position.
940       if (rootNode && !std::count(thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvIdx,
941                                   thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvLast, move))
942           continue;
943
944       ss->moveCount = ++moveCount;
945
946       if (rootNode && thisThread == Threads.main() && Time.elapsed() > 3000)
947           sync_cout << "info depth " << depth
948                     << " currmove " << UCI::move(move, pos.is_chess960())
949                     << " currmovenumber " << moveCount + thisThread->pvIdx << sync_endl;
950       if (PvNode)
951           (ss+1)->pv = nullptr;
952
953       extension = 0;
954       captureOrPromotion = pos.capture_or_promotion(move);
955       movedPiece = pos.moved_piece(move);
956       givesCheck = pos.gives_check(move);
957
958       // Step 13. Extensions (~70 Elo)
959
960       // Singular extension search (~60 Elo). If all moves but one fail low on a
961       // search of (alpha-s, beta-s), and just one fails high on (alpha, beta),
962       // then that move is singular and should be extended. To verify this we do
963       // a reduced search on all the other moves but the ttMove and if the
964       // result is lower than ttValue minus a margin then we will extend the ttMove.
965       if (    depth >= 6
966           &&  move == ttMove
967           && !rootNode
968           && !excludedMove // Avoid recursive singular search
969        /* &&  ttValue != VALUE_NONE Already implicit in the next condition */
970           &&  abs(ttValue) < VALUE_KNOWN_WIN
971           && (tte->bound() & BOUND_LOWER)
972           &&  tte->depth() >= depth - 3
973           &&  pos.legal(move))
974       {
975           Value singularBeta = ttValue - 2 * depth;
976           Depth halfDepth = depth / 2;
977           ss->excludedMove = move;
978           value = search<NonPV>(pos, ss, singularBeta - 1, singularBeta, halfDepth, cutNode);
979           ss->excludedMove = MOVE_NONE;
980
981           if (value < singularBeta)
982           {
983               extension = 1;
984               singularLMR = true;
985           }
986
987           // Multi-cut pruning
988           // Our ttMove is assumed to fail high, and now we failed high also on a reduced
989           // search without the ttMove. So we assume this expected Cut-node is not singular,
990           // that multiple moves fail high, and we can prune the whole subtree by returning
991           // a soft bound.
992           else if (   eval >= beta
993                    && singularBeta >= beta)
994               return singularBeta;
995       }
996
997       // Check extension (~2 Elo)
998       else if (    givesCheck
999                && (pos.is_discovery_check_on_king(~us, move) || pos.see_ge(move)))
1000           extension = 1;
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 = 1;
1007
1008       // Castling extension
1009       if (type_of(move) == CASTLING)
1010           extension = 1;
1011
1012       // Calculate new depth for this move
1013       newDepth = depth - 1 + extension;
1014
1015       // Step 14. Pruning at shallow depth (~170 Elo)
1016       if (  !rootNode
1017           && pos.non_pawn_material(us)
1018           && bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY)
1019       {
1020           // Skip quiet moves if movecount exceeds our FutilityMoveCount threshold
1021           moveCountPruning = moveCount >= futility_move_count(improving, depth);
1022
1023           if (   !captureOrPromotion
1024               && !givesCheck
1025               && (!pos.advanced_pawn_push(move) || pos.non_pawn_material(~us) > BishopValueMg))
1026           {
1027               // Move count based pruning
1028               if (moveCountPruning)
1029                   continue;
1030
1031               // Reduced depth of the next LMR search
1032               int lmrDepth = std::max(newDepth - reduction(improving, depth, moveCount), 0);
1033
1034               // Countermoves based pruning (~20 Elo)
1035               if (   lmrDepth < 4 + ((ss-1)->statScore > 0 || (ss-1)->moveCount == 1)
1036                   && (*contHist[0])[movedPiece][to_sq(move)] < CounterMovePruneThreshold
1037                   && (*contHist[1])[movedPiece][to_sq(move)] < CounterMovePruneThreshold)
1038                   continue;
1039
1040               // Futility pruning: parent node (~2 Elo)
1041               if (   lmrDepth < 6
1042                   && !inCheck
1043                   && ss->staticEval + 250 + 211 * lmrDepth <= alpha)
1044                   continue;
1045
1046               // Prune moves with negative SEE (~10 Elo)
1047               if (!pos.see_ge(move, Value(-(31 - std::min(lmrDepth, 18)) * lmrDepth * lmrDepth)))
1048                   continue;
1049           }
1050           else if (  !(givesCheck && extension)
1051                    && !pos.see_ge(move, Value(-199) * depth)) // (~20 Elo)
1052                   continue;
1053       }
1054
1055       // Speculative prefetch as early as possible
1056       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
1057
1058       // Check for legality just before making the move
1059       if (!rootNode && !pos.legal(move))
1060       {
1061           ss->moveCount = --moveCount;
1062           continue;
1063       }
1064
1065       // Update the current move (this must be done after singular extension search)
1066       ss->currentMove = move;
1067       ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[inCheck]
1068                                                                 [captureOrPromotion]
1069                                                                 [movedPiece]
1070                                                                 [to_sq(move)];
1071
1072       // Step 15. Make the move
1073       pos.do_move(move, st, givesCheck);
1074
1075       // Step 16. Reduced depth search (LMR). If the move fails high it will be
1076       // re-searched at full depth.
1077       if (    depth >= 3
1078           &&  moveCount > 1 + 2 * rootNode
1079           && (!rootNode || thisThread->best_move_count(move) == 0)
1080           && (  !captureOrPromotion
1081               || moveCountPruning
1082               || ss->staticEval + PieceValue[EG][pos.captured_piece()] <= alpha
1083               || cutNode))
1084       {
1085           Depth r = reduction(improving, depth, moveCount);
1086
1087           // Reduction if other threads are searching this position.
1088           if (th.marked())
1089               r++;
1090
1091           // Decrease reduction if position is or has been on the PV
1092           if (ttPv)
1093               r -= 2;
1094
1095           // Decrease reduction if opponent's move count is high (~10 Elo)
1096           if ((ss-1)->moveCount > 15)
1097               r--;
1098
1099           // Decrease reduction if ttMove has been singularly extended
1100           if (singularLMR)
1101               r -= 2;
1102
1103           if (!captureOrPromotion)
1104           {
1105               // Increase reduction if ttMove is a capture (~0 Elo)
1106               if (ttCapture)
1107                   r++;
1108
1109               // Increase reduction for cut nodes (~5 Elo)
1110               if (cutNode)
1111                   r += 2;
1112
1113               // Decrease reduction for moves that escape a capture. Filter out
1114               // castling moves, because they are coded as "king captures rook" and
1115               // hence break make_move(). (~5 Elo)
1116               else if (    type_of(move) == NORMAL
1117                        && !pos.see_ge(reverse_move(move)))
1118                   r -= 2;
1119
1120               ss->statScore =  thisThread->mainHistory[us][from_to(move)]
1121                              + (*contHist[0])[movedPiece][to_sq(move)]
1122                              + (*contHist[1])[movedPiece][to_sq(move)]
1123                              + (*contHist[3])[movedPiece][to_sq(move)]
1124                              - 4729;
1125
1126               // Reset statScore to zero if negative and most stats shows >= 0
1127               if (    ss->statScore < 0
1128                   && (*contHist[0])[movedPiece][to_sq(move)] >= 0
1129                   && (*contHist[1])[movedPiece][to_sq(move)] >= 0
1130                   && thisThread->mainHistory[us][from_to(move)] >= 0)
1131                   ss->statScore = 0;
1132
1133               // Decrease/increase reduction by comparing opponent's stat score (~10 Elo)
1134               if (ss->statScore >= -99 && (ss-1)->statScore < -116)
1135                   r--;
1136
1137               else if ((ss-1)->statScore >= -117 && ss->statScore < -144)
1138                   r++;
1139
1140               // Decrease/increase reduction for moves with a good/bad history (~30 Elo)
1141               r -= ss->statScore / 16384;
1142           }
1143
1144           Depth d = clamp(newDepth - r, 1, newDepth);
1145
1146           value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, d, true);
1147
1148           doFullDepthSearch = (value > alpha && d != newDepth), didLMR = true;
1149       }
1150       else
1151           doFullDepthSearch = !PvNode || moveCount > 1, didLMR = false;
1152
1153       // Step 17. Full depth search when LMR is skipped or fails high
1154       if (doFullDepthSearch)
1155       {
1156           value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, newDepth, !cutNode);
1157
1158           if (didLMR && !captureOrPromotion)
1159           {
1160               int bonus = value > alpha ?  stat_bonus(newDepth)
1161                                         : -stat_bonus(newDepth);
1162
1163               if (move == ss->killers[0])
1164                   bonus += bonus / 4;
1165
1166               update_continuation_histories(ss, movedPiece, to_sq(move), bonus);
1167           }
1168       }
1169
1170       // For PV nodes only, do a full PV search on the first move or after a fail
1171       // high (in the latter case search only if value < beta), otherwise let the
1172       // parent node fail low with value <= alpha and try another move.
1173       if (PvNode && (moveCount == 1 || (value > alpha && (rootNode || value < beta))))
1174       {
1175           (ss+1)->pv = pv;
1176           (ss+1)->pv[0] = MOVE_NONE;
1177
1178           value = -search<PV>(pos, ss+1, -beta, -alpha, newDepth, false);
1179       }
1180
1181       // Step 18. Undo move
1182       pos.undo_move(move);
1183
1184       assert(value > -VALUE_INFINITE && value < VALUE_INFINITE);
1185
1186       // Step 19. Check for a new best move
1187       // Finished searching the move. If a stop occurred, the return value of
1188       // the search cannot be trusted, and we return immediately without
1189       // updating best move, PV and TT.
1190       if (Threads.stop.load(std::memory_order_relaxed))
1191           return VALUE_ZERO;
1192
1193       if (rootNode)
1194       {
1195           RootMove& rm = *std::find(thisThread->rootMoves.begin(),
1196                                     thisThread->rootMoves.end(), move);
1197
1198           // PV move or new best move?
1199           if (moveCount == 1 || value > alpha)
1200           {
1201               rm.score = value;
1202               rm.selDepth = thisThread->selDepth;
1203               rm.pv.resize(1);
1204
1205               assert((ss+1)->pv);
1206
1207               for (Move* m = (ss+1)->pv; *m != MOVE_NONE; ++m)
1208                   rm.pv.push_back(*m);
1209
1210               // We record how often the best move has been changed in each
1211               // iteration. This information is used for time management: When
1212               // the best move changes frequently, we allocate some more time.
1213               if (moveCount > 1)
1214                   ++thisThread->bestMoveChanges;
1215           }
1216           else
1217               // All other moves but the PV are set to the lowest value: this
1218               // is not a problem when sorting because the sort is stable and the
1219               // move position in the list is preserved - just the PV is pushed up.
1220               rm.score = -VALUE_INFINITE;
1221       }
1222
1223       if (value > bestValue)
1224       {
1225           bestValue = value;
1226
1227           if (value > alpha)
1228           {
1229               bestMove = move;
1230
1231               if (PvNode && !rootNode) // Update pv even in fail-high case
1232                   update_pv(ss->pv, move, (ss+1)->pv);
1233
1234               if (PvNode && value < beta) // Update alpha! Always alpha < beta
1235                   alpha = value;
1236               else
1237               {
1238                   assert(value >= beta); // Fail high
1239                   ss->statScore = 0;
1240                   break;
1241               }
1242           }
1243       }
1244
1245       if (move != bestMove)
1246       {
1247           if (captureOrPromotion && captureCount < 32)
1248               capturesSearched[captureCount++] = move;
1249
1250           else if (!captureOrPromotion && quietCount < 64)
1251               quietsSearched[quietCount++] = move;
1252       }
1253     }
1254
1255     // The following condition would detect a stop only after move loop has been
1256     // completed. But in this case bestValue is valid because we have fully
1257     // searched our subtree, and we can anyhow save the result in TT.
1258     /*
1259        if (Threads.stop)
1260         return VALUE_DRAW;
1261     */
1262
1263     // Step 20. Check for mate and stalemate
1264     // All legal moves have been searched and if there are no legal moves, it
1265     // must be a mate or a stalemate. If we are in a singular extension search then
1266     // return a fail low score.
1267
1268     assert(moveCount || !inCheck || excludedMove || !MoveList<LEGAL>(pos).size());
1269
1270     if (!moveCount)
1271         bestValue = excludedMove ? alpha
1272                    :     inCheck ? mated_in(ss->ply) : VALUE_DRAW;
1273
1274     else if (bestMove)
1275         update_all_stats(pos, ss, bestMove, bestValue, beta, prevSq,
1276                          quietsSearched, quietCount, capturesSearched, captureCount, depth);
1277
1278     // Bonus for prior countermove that caused the fail low
1279     else if (   (depth >= 3 || PvNode)
1280              && !priorCapture)
1281         update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, stat_bonus(depth));
1282
1283     if (PvNode)
1284         bestValue = std::min(bestValue, maxValue);
1285
1286     if (!excludedMove)
1287         tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), ttPv,
1288                   bestValue >= beta ? BOUND_LOWER :
1289                   PvNode && bestMove ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1290                   depth, bestMove, ss->staticEval);
1291
1292     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1293
1294     return bestValue;
1295   }
1296
1297
1298   // qsearch() is the quiescence search function, which is called by the main search
1299   // function with zero depth, or recursively with further decreasing depth per call.
1300   template <NodeType NT>
1301   Value qsearch(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth) {
1302
1303     constexpr bool PvNode = NT == PV;
1304
1305     assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
1306     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
1307     assert(depth <= 0);
1308
1309     Move pv[MAX_PLY+1];
1310     StateInfo st;
1311     TTEntry* tte;
1312     Key posKey;
1313     Move ttMove, move, bestMove;
1314     Depth ttDepth;
1315     Value bestValue, value, ttValue, futilityValue, futilityBase, oldAlpha;
1316     bool ttHit, pvHit, inCheck, givesCheck, captureOrPromotion, evasionPrunable;
1317     int moveCount;
1318
1319     if (PvNode)
1320     {
1321         oldAlpha = alpha; // To flag BOUND_EXACT when eval above alpha and no available moves
1322         (ss+1)->pv = pv;
1323         ss->pv[0] = MOVE_NONE;
1324     }
1325
1326     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1327     (ss+1)->ply = ss->ply + 1;
1328     bestMove = MOVE_NONE;
1329     inCheck = pos.checkers();
1330     moveCount = 0;
1331
1332     // Check for an immediate draw or maximum ply reached
1333     if (   pos.is_draw(ss->ply)
1334         || ss->ply >= MAX_PLY)
1335         return (ss->ply >= MAX_PLY && !inCheck) ? evaluate(pos) : VALUE_DRAW;
1336
1337     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
1338
1339     // Decide whether or not to include checks: this fixes also the type of
1340     // TT entry depth that we are going to use. Note that in qsearch we use
1341     // only two types of depth in TT: DEPTH_QS_CHECKS or DEPTH_QS_NO_CHECKS.
1342     ttDepth = inCheck || depth >= DEPTH_QS_CHECKS ? DEPTH_QS_CHECKS
1343                                                   : DEPTH_QS_NO_CHECKS;
1344     // Transposition table lookup
1345     posKey = pos.key();
1346     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
1347     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
1348     ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
1349     pvHit = ttHit && tte->is_pv();
1350
1351     if (  !PvNode
1352         && ttHit
1353         && tte->depth() >= ttDepth
1354         && ttValue != VALUE_NONE // Only in case of TT access race
1355         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() & BOUND_LOWER)
1356                             : (tte->bound() & BOUND_UPPER)))
1357         return ttValue;
1358
1359     // Evaluate the position statically
1360     if (inCheck)
1361     {
1362         ss->staticEval = VALUE_NONE;
1363         bestValue = futilityBase = -VALUE_INFINITE;
1364     }
1365     else
1366     {
1367         if (ttHit)
1368         {
1369             // Never assume anything about values stored in TT
1370             if ((ss->staticEval = bestValue = tte->eval()) == VALUE_NONE)
1371                 ss->staticEval = bestValue = evaluate(pos);
1372
1373             // Can ttValue be used as a better position evaluation?
1374             if (    ttValue != VALUE_NONE
1375                 && (tte->bound() & (ttValue > bestValue ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER)))
1376                 bestValue = ttValue;
1377         }
1378         else
1379             ss->staticEval = bestValue =
1380             (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL ? evaluate(pos)
1381                                              : -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
1382
1383         // Stand pat. Return immediately if static value is at least beta
1384         if (bestValue >= beta)
1385         {
1386             if (!ttHit)
1387                 tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), pvHit, BOUND_LOWER,
1388                           DEPTH_NONE, MOVE_NONE, ss->staticEval);
1389
1390             return bestValue;
1391         }
1392
1393         if (PvNode && bestValue > alpha)
1394             alpha = bestValue;
1395
1396         futilityBase = bestValue + 153;
1397     }
1398
1399     const PieceToHistory* contHist[] = { (ss-1)->continuationHistory, (ss-2)->continuationHistory,
1400                                           nullptr                   , (ss-4)->continuationHistory,
1401                                           nullptr                   , (ss-6)->continuationHistory };
1402
1403     // Initialize a MovePicker object for the current position, and prepare
1404     // to search the moves. Because the depth is <= 0 here, only captures,
1405     // queen promotions and checks (only if depth >= DEPTH_QS_CHECKS) will
1406     // be generated.
1407     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, &thisThread->mainHistory,
1408                                       &thisThread->captureHistory,
1409                                       contHist,
1410                                       to_sq((ss-1)->currentMove));
1411
1412     // Loop through the moves until no moves remain or a beta cutoff occurs
1413     while ((move = mp.next_move()) != MOVE_NONE)
1414     {
1415       assert(is_ok(move));
1416
1417       givesCheck = pos.gives_check(move);
1418       captureOrPromotion = pos.capture_or_promotion(move);
1419
1420       moveCount++;
1421
1422       // Futility pruning
1423       if (   !inCheck
1424           && !givesCheck
1425           &&  futilityBase > -VALUE_KNOWN_WIN
1426           && !pos.advanced_pawn_push(move))
1427       {
1428           assert(type_of(move) != ENPASSANT); // Due to !pos.advanced_pawn_push
1429
1430           futilityValue = futilityBase + PieceValue[EG][pos.piece_on(to_sq(move))];
1431
1432           if (futilityValue <= alpha)
1433           {
1434               bestValue = std::max(bestValue, futilityValue);
1435               continue;
1436           }
1437
1438           if (futilityBase <= alpha && !pos.see_ge(move, VALUE_ZERO + 1))
1439           {
1440               bestValue = std::max(bestValue, futilityBase);
1441               continue;
1442           }
1443       }
1444
1445       // Detect non-capture evasions that are candidates to be pruned
1446       evasionPrunable =    inCheck
1447                        &&  (depth != 0 || moveCount > 2)
1448                        &&  bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY
1449                        && !pos.capture(move);
1450
1451       // Don't search moves with negative SEE values
1452       if (  (!inCheck || evasionPrunable)
1453           && !(givesCheck && pos.is_discovery_check_on_king(~pos.side_to_move(), move))
1454           && !pos.see_ge(move))
1455           continue;
1456
1457       // Speculative prefetch as early as possible
1458       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
1459
1460       // Check for legality just before making the move
1461       if (!pos.legal(move))
1462       {
1463           moveCount--;
1464           continue;
1465       }
1466
1467       ss->currentMove = move;
1468       ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[inCheck]
1469                                                                 [captureOrPromotion]
1470                                                                 [pos.moved_piece(move)]
1471                                                                 [to_sq(move)];
1472
1473       // Make and search the move
1474       pos.do_move(move, st, givesCheck);
1475       value = -qsearch<NT>(pos, ss+1, -beta, -alpha, depth - 1);
1476       pos.undo_move(move);
1477
1478       assert(value > -VALUE_INFINITE && value < VALUE_INFINITE);
1479
1480       // Check for a new best move
1481       if (value > bestValue)
1482       {
1483           bestValue = value;
1484
1485           if (value > alpha)
1486           {
1487               bestMove = move;
1488
1489               if (PvNode) // Update pv even in fail-high case
1490                   update_pv(ss->pv, move, (ss+1)->pv);
1491
1492               if (PvNode && value < beta) // Update alpha here!
1493                   alpha = value;
1494               else
1495                   break; // Fail high
1496           }
1497        }
1498     }
1499
1500     // All legal moves have been searched. A special case: If we're in check
1501     // and no legal moves were found, it is checkmate.
1502     if (inCheck && bestValue == -VALUE_INFINITE)
1503         return mated_in(ss->ply); // Plies to mate from the root
1504
1505     tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), pvHit,
1506               bestValue >= beta ? BOUND_LOWER :
1507               PvNode && bestValue > oldAlpha  ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1508               ttDepth, bestMove, ss->staticEval);
1509
1510     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1511
1512     return bestValue;
1513   }
1514
1515
1516   // value_to_tt() adjusts a mate score from "plies to mate from the root" to
1517   // "plies to mate from the current position". Non-mate scores are unchanged.
1518   // The function is called before storing a value in the transposition table.
1519
1520   Value value_to_tt(Value v, int ply) {
1521
1522     assert(v != VALUE_NONE);
1523
1524     return  v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v + ply
1525           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v - ply : v;
1526   }
1527
1528
1529   // value_from_tt() is the inverse of value_to_tt(): It adjusts a mate score
1530   // from the transposition table (which refers to the plies to mate/be mated
1531   // from current position) to "plies to mate/be mated from the root".
1532
1533   Value value_from_tt(Value v, int ply) {
1534
1535     return  v == VALUE_NONE             ? VALUE_NONE
1536           : v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v - ply
1537           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v + ply : v;
1538   }
1539
1540
1541   // update_pv() adds current move and appends child pv[]
1542
1543   void update_pv(Move* pv, Move move, Move* childPv) {
1544
1545     for (*pv++ = move; childPv && *childPv != MOVE_NONE; )
1546         *pv++ = *childPv++;
1547     *pv = MOVE_NONE;
1548   }
1549
1550
1551   // update_all_stats() updates stats at the end of search() when a bestMove is found
1552
1553   void update_all_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move bestMove, Value bestValue, Value beta, Square prevSq,
1554                         Move* quietsSearched, int quietCount, Move* capturesSearched, int captureCount, Depth depth) {
1555
1556     int bonus1, bonus2;
1557     Color us = pos.side_to_move();
1558     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1559     CapturePieceToHistory& captureHistory = thisThread->captureHistory;
1560     Piece moved_piece = pos.moved_piece(bestMove);
1561     PieceType captured = type_of(pos.piece_on(to_sq(bestMove)));
1562
1563     bonus1 = stat_bonus(depth + 1);
1564     bonus2 = bestValue > beta + PawnValueMg ? bonus1               // larger bonus
1565                                             : stat_bonus(depth);   // smaller bonus
1566
1567     if (!pos.capture_or_promotion(bestMove))
1568     {
1569         update_quiet_stats(pos, ss, bestMove, bonus2);
1570
1571         // Decrease all the non-best quiet moves
1572         for (int i = 0; i < quietCount; ++i)
1573         {
1574             thisThread->mainHistory[us][from_to(quietsSearched[i])] << -bonus2;
1575             update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(quietsSearched[i]), to_sq(quietsSearched[i]), -bonus2);
1576         }
1577     }
1578     else
1579         captureHistory[moved_piece][to_sq(bestMove)][captured] << bonus1;
1580
1581     // Extra penalty for a quiet TT or main killer move in previous ply when it gets refuted
1582     if (   ((ss-1)->moveCount == 1 || ((ss-1)->currentMove == (ss-1)->killers[0]))
1583         && !pos.captured_piece())
1584             update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, -bonus1);
1585
1586     // Decrease all the non-best capture moves
1587     for (int i = 0; i < captureCount; ++i)
1588     {
1589         moved_piece = pos.moved_piece(capturesSearched[i]);
1590         captured = type_of(pos.piece_on(to_sq(capturesSearched[i])));
1591         captureHistory[moved_piece][to_sq(capturesSearched[i])][captured] << -bonus1;
1592     }
1593   }
1594
1595
1596   // update_continuation_histories() updates histories of the move pairs formed
1597   // by moves at ply -1, -2, and -4 with current move.
1598
1599   void update_continuation_histories(Stack* ss, Piece pc, Square to, int bonus) {
1600
1601     for (int i : {1, 2, 4, 6})
1602         if (is_ok((ss-i)->currentMove))
1603             (*(ss-i)->continuationHistory)[pc][to] << bonus;
1604   }
1605
1606
1607   // update_quiet_stats() updates move sorting heuristics
1608
1609   void update_quiet_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move move, int bonus) {
1610
1611     if (ss->killers[0] != move)
1612     {
1613         ss->killers[1] = ss->killers[0];
1614         ss->killers[0] = move;
1615     }
1616
1617     Color us = pos.side_to_move();
1618     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1619     thisThread->mainHistory[us][from_to(move)] << bonus;
1620     update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(move), to_sq(move), bonus);
1621
1622     if (type_of(pos.moved_piece(move)) != PAWN)
1623         thisThread->mainHistory[us][from_to(reverse_move(move))] << -bonus;
1624
1625     if (is_ok((ss-1)->currentMove))
1626     {
1627         Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
1628         thisThread->counterMoves[pos.piece_on(prevSq)][prevSq] = move;
1629     }
1630   }
1631
1632   // When playing with strength handicap, choose best move among a set of RootMoves
1633   // using a statistical rule dependent on 'level'. Idea by Heinz van Saanen.
1634
1635   Move Skill::pick_best(size_t multiPV) {
1636
1637     const RootMoves& rootMoves = Threads.main()->rootMoves;
1638     static PRNG rng(now()); // PRNG sequence should be non-deterministic
1639
1640     // RootMoves are already sorted by score in descending order
1641     Value topScore = rootMoves[0].score;
1642     int delta = std::min(topScore - rootMoves[multiPV - 1].score, PawnValueMg);
1643     int weakness = 120 - 2 * level;
1644     int maxScore = -VALUE_INFINITE;
1645
1646     // Choose best move. For each move score we add two terms, both dependent on
1647     // weakness. One is deterministic and bigger for weaker levels, and one is
1648     // random. Then we choose the move with the resulting highest score.
1649     for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1650     {
1651         // This is our magic formula
1652         int push = (  weakness * int(topScore - rootMoves[i].score)
1653                     + delta * (rng.rand<unsigned>() % weakness)) / 128;
1654
1655         if (rootMoves[i].score + push >= maxScore)
1656         {
1657             maxScore = rootMoves[i].score + push;
1658             best = rootMoves[i].pv[0];
1659         }
1660     }
1661
1662     return best;
1663   }
1664
1665 } // namespace
1666
1667 /// MainThread::check_time() is used to print debug info and, more importantly,
1668 /// to detect when we are out of available time and thus stop the search.
1669
1670 void MainThread::check_time() {
1671
1672   if (--callsCnt > 0)
1673       return;
1674
1675   // When using nodes, ensure checking rate is not lower than 0.1% of nodes
1676   callsCnt = Limits.nodes ? std::min(1024, int(Limits.nodes / 1024)) : 1024;
1677
1678   static TimePoint lastInfoTime = now();
1679
1680   TimePoint elapsed = Time.elapsed();
1681   TimePoint tick = Limits.startTime + elapsed;
1682
1683   if (tick - lastInfoTime >= 1000)
1684   {
1685       lastInfoTime = tick;
1686       dbg_print();
1687   }
1688
1689   // We should not stop pondering until told so by the GUI
1690   if (ponder)
1691       return;
1692
1693   if (   (Limits.use_time_management() && (elapsed > Time.maximum() - 10 || stopOnPonderhit))
1694       || (Limits.movetime && elapsed >= Limits.movetime)
1695       || (Limits.nodes && Threads.nodes_searched() >= (uint64_t)Limits.nodes))
1696       Threads.stop = true;
1697 }
1698
1699
1700 /// UCI::pv() formats PV information according to the UCI protocol. UCI requires
1701 /// that all (if any) unsearched PV lines are sent using a previous search score.
1702
1703 string UCI::pv(const Position& pos, Depth depth, Value alpha, Value beta) {
1704
1705   std::stringstream ss;
1706   TimePoint elapsed = Time.elapsed() + 1;
1707   const RootMoves& rootMoves = pos.this_thread()->rootMoves;
1708   size_t pvIdx = pos.this_thread()->pvIdx;
1709   size_t multiPV = std::min((size_t)Options["MultiPV"], rootMoves.size());
1710   uint64_t nodesSearched = Threads.nodes_searched();
1711   uint64_t tbHits = Threads.tb_hits() + (TB::RootInTB ? rootMoves.size() : 0);
1712
1713   for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1714   {
1715       bool updated = (i <= pvIdx && rootMoves[i].score != -VALUE_INFINITE);
1716
1717       if (depth == 1 && !updated)
1718           continue;
1719
1720       Depth d = updated ? depth : depth - 1;
1721       Value v = updated ? rootMoves[i].score : rootMoves[i].previousScore;
1722
1723       bool tb = TB::RootInTB && abs(v) < VALUE_MATE - MAX_PLY;
1724       v = tb ? rootMoves[i].tbScore : v;
1725
1726       if (ss.rdbuf()->in_avail()) // Not at first line
1727           ss << "\n";
1728
1729       ss << "info"
1730          << " depth "    << d
1731          << " seldepth " << rootMoves[i].selDepth
1732          << " multipv "  << i + 1
1733          << " score "    << UCI::value(v);
1734
1735       if (!tb && i == pvIdx)
1736           ss << (v >= beta ? " lowerbound" : v <= alpha ? " upperbound" : "");
1737
1738       ss << " nodes "    << nodesSearched
1739          << " nps "      << nodesSearched * 1000 / elapsed;
1740
1741       if (elapsed > 1000) // Earlier makes little sense
1742           ss << " hashfull " << TT.hashfull();
1743
1744       ss << " tbhits "   << tbHits
1745          << " time "     << elapsed
1746          << " pv";
1747
1748       for (Move m : rootMoves[i].pv)
1749           ss << " " << UCI::move(m, pos.is_chess960());
1750   }
1751
1752   return ss.str();
1753 }
1754
1755
1756 /// RootMove::extract_ponder_from_tt() is called in case we have no ponder move
1757 /// before exiting the search, for instance, in case we stop the search during a
1758 /// fail high at root. We try hard to have a ponder move to return to the GUI,
1759 /// otherwise in case of 'ponder on' we have nothing to think on.
1760
1761 bool RootMove::extract_ponder_from_tt(Position& pos) {
1762
1763     StateInfo st;
1764     bool ttHit;
1765
1766     assert(pv.size() == 1);
1767
1768     if (pv[0] == MOVE_NONE)
1769         return false;
1770
1771     pos.do_move(pv[0], st);
1772     TTEntry* tte = TT.probe(pos.key(), ttHit);
1773
1774     if (ttHit)
1775     {
1776         Move m = tte->move(); // Local copy to be SMP safe
1777         if (MoveList<LEGAL>(pos).contains(m))
1778             pv.push_back(m);
1779     }
1780
1781     pos.undo_move(pv[0]);
1782     return pv.size() > 1;
1783 }
1784
1785 void Tablebases::rank_root_moves(Position& pos, Search::RootMoves& rootMoves) {
1786
1787     RootInTB = false;
1788     UseRule50 = bool(Options["Syzygy50MoveRule"]);
1789     ProbeDepth = int(Options["SyzygyProbeDepth"]);
1790     Cardinality = int(Options["SyzygyProbeLimit"]);
1791     bool dtz_available = true;
1792
1793     // Tables with fewer pieces than SyzygyProbeLimit are searched with
1794     // ProbeDepth == DEPTH_ZERO
1795     if (Cardinality > MaxCardinality)
1796     {
1797         Cardinality = MaxCardinality;
1798         ProbeDepth = 0;
1799     }
1800
1801     if (Cardinality >= popcount(pos.pieces()) && !pos.can_castle(ANY_CASTLING))
1802     {
1803         // Rank moves using DTZ tables
1804         RootInTB = root_probe(pos, rootMoves);
1805
1806         if (!RootInTB)
1807         {
1808             // DTZ tables are missing; try to rank moves using WDL tables
1809             dtz_available = false;
1810             RootInTB = root_probe_wdl(pos, rootMoves);
1811         }
1812     }
1813
1814     if (RootInTB)
1815     {
1816         // Sort moves according to TB rank
1817         std::sort(rootMoves.begin(), rootMoves.end(),
1818                   [](const RootMove &a, const RootMove &b) { return a.tbRank > b.tbRank; } );
1819
1820         // Probe during search only if DTZ is not available and we are winning
1821         if (dtz_available || rootMoves[0].tbScore <= VALUE_DRAW)
1822             Cardinality = 0;
1823     }
1824     else
1825     {
1826         // Clean up if root_probe() and root_probe_wdl() have failed
1827         for (auto& m : rootMoves)
1828             m.tbRank = 0;
1829     }
1830 }