6cf999380b6001e9069dcd154a812cc6e4827d3d
[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, 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 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, Move* quiets, int quietCount, int bonus);
157   void update_capture_stats(const Position& pos, Move move, Move* captures, int captureCount, int bonus);
158
159   // perft() is our utility to verify move generation. All the leaf nodes up
160   // to the given depth are generated and counted, and the sum is returned.
161   template<bool Root>
162   uint64_t perft(Position& pos, Depth depth) {
163
164     StateInfo st;
165     uint64_t cnt, nodes = 0;
166     const bool leaf = (depth == 2);
167
168     for (const auto& m : MoveList<LEGAL>(pos))
169     {
170         if (Root && depth <= 1)
171             cnt = 1, nodes++;
172         else
173         {
174             pos.do_move(m, st);
175             cnt = leaf ? MoveList<LEGAL>(pos).size() : perft<false>(pos, depth - 1);
176             nodes += cnt;
177             pos.undo_move(m);
178         }
179         if (Root)
180             sync_cout << UCI::move(m, pos.is_chess960()) << ": " << cnt << sync_endl;
181     }
182     return nodes;
183   }
184
185 } // namespace
186
187
188 /// Search::init() is called at startup to initialize various lookup tables
189
190 void Search::init() {
191
192   for (int i = 1; i < MAX_MOVES; ++i)
193       Reductions[i] = int((23.4 + std::log(Threads.size()) / 2) * std::log(i));
194 }
195
196
197 /// Search::clear() resets search state to its initial value
198
199 void Search::clear() {
200
201   Threads.main()->wait_for_search_finished();
202
203   Time.availableNodes = 0;
204   TT.clear();
205   Threads.clear();
206   Tablebases::init(Options["SyzygyPath"]); // Free mapped files
207 }
208
209
210 /// MainThread::search() is started when the program receives the UCI 'go'
211 /// command. It searches from the root position and outputs the "bestmove".
212
213 void MainThread::search() {
214
215   if (Limits.perft)
216   {
217       nodes = perft<true>(rootPos, Limits.perft);
218       sync_cout << "\nNodes searched: " << nodes << "\n" << sync_endl;
219       return;
220   }
221
222   Color us = rootPos.side_to_move();
223   Time.init(Limits, us, rootPos.game_ply());
224   TT.new_search();
225
226   if (rootMoves.empty())
227   {
228       rootMoves.emplace_back(MOVE_NONE);
229       sync_cout << "info depth 0 score "
230                 << UCI::value(rootPos.checkers() ? -VALUE_MATE : VALUE_DRAW)
231                 << sync_endl;
232   }
233   else
234   {
235       for (Thread* th : Threads)
236       {
237           th->bestMoveChanges = 0;
238           if (th != this)
239               th->start_searching();
240       }
241
242       Thread::search(); // Let's start searching!
243   }
244
245   // When we reach the maximum depth, we can arrive here without a raise of
246   // Threads.stop. However, if we are pondering or in an infinite search,
247   // the UCI protocol states that we shouldn't print the best move before the
248   // GUI sends a "stop" or "ponderhit" command. We therefore simply wait here
249   // until the GUI sends one of those commands.
250
251   while (!Threads.stop && (ponder || Limits.infinite))
252   {} // Busy wait for a stop or a ponder reset
253
254   // Stop the threads if not already stopped (also raise the stop if
255   // "ponderhit" just reset Threads.ponder).
256   Threads.stop = true;
257
258   // Wait until all threads have finished
259   for (Thread* th : Threads)
260       if (th != this)
261           th->wait_for_search_finished();
262
263   // When playing in 'nodes as time' mode, subtract the searched nodes from
264   // the available ones before exiting.
265   if (Limits.npmsec)
266       Time.availableNodes += Limits.inc[us] - Threads.nodes_searched();
267
268   Thread* bestThread = this;
269
270   // Check if there are threads with a better score than main thread
271   if (    Options["MultiPV"] == 1
272       && !Limits.depth
273       && !(Skill(Options["Skill Level"]).enabled() || Options["UCI_LimitStrength"])
274       &&  rootMoves[0].pv[0] != MOVE_NONE)
275   {
276       std::map<Move, int64_t> votes;
277       Value minScore = this->rootMoves[0].score;
278
279       // Find out minimum score
280       for (Thread* th: Threads)
281           minScore = std::min(minScore, th->rootMoves[0].score);
282
283       // Vote according to score and depth, and select the best thread
284       for (Thread* th : Threads)
285       {
286           votes[th->rootMoves[0].pv[0]] +=
287               (th->rootMoves[0].score - minScore + 14) * int(th->completedDepth);
288
289           if (bestThread->rootMoves[0].score >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
290           {
291               // Make sure we pick the shortest mate
292               if (th->rootMoves[0].score > bestThread->rootMoves[0].score)
293                   bestThread = th;
294           }
295           else if (   th->rootMoves[0].score >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY
296                    || votes[th->rootMoves[0].pv[0]] > votes[bestThread->rootMoves[0].pv[0]])
297               bestThread = th;
298       }
299   }
300
301   previousScore = bestThread->rootMoves[0].score;
302
303   // Send again PV info if we have a new best thread
304   if (bestThread != this)
305       sync_cout << UCI::pv(bestThread->rootPos, bestThread->completedDepth, -VALUE_INFINITE, VALUE_INFINITE) << sync_endl;
306
307   sync_cout << "bestmove " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[0], rootPos.is_chess960());
308
309   if (bestThread->rootMoves[0].pv.size() > 1 || bestThread->rootMoves[0].extract_ponder_from_tt(rootPos))
310       std::cout << " ponder " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[1], rootPos.is_chess960());
311
312   std::cout << sync_endl;
313 }
314
315
316 /// Thread::search() is the main iterative deepening loop. It calls search()
317 /// repeatedly with increasing depth until the allocated thinking time has been
318 /// consumed, the user stops the search, or the maximum search depth is reached.
319
320 void Thread::search() {
321
322   // To allow access to (ss-7) up to (ss+2), the stack must be oversized.
323   // The former is needed to allow update_continuation_histories(ss-1, ...),
324   // which accesses its argument at ss-6, also near the root.
325   // The latter is needed for statScores and killer initialization.
326   Stack stack[MAX_PLY+10], *ss = stack+7;
327   Move  pv[MAX_PLY+1];
328   Value bestValue, alpha, beta, delta;
329   Move  lastBestMove = MOVE_NONE;
330   Depth lastBestMoveDepth = 0;
331   MainThread* mainThread = (this == Threads.main() ? Threads.main() : nullptr);
332   double timeReduction = 1, totBestMoveChanges = 0;
333   Color us = rootPos.side_to_move();
334
335   std::memset(ss-7, 0, 10 * sizeof(Stack));
336   for (int i = 7; i > 0; i--)
337       (ss-i)->continuationHistory = &this->continuationHistory[0][NO_PIECE][0]; // Use as a sentinel
338
339   ss->pv = pv;
340
341   bestValue = delta = alpha = -VALUE_INFINITE;
342   beta = VALUE_INFINITE;
343
344   size_t multiPV = Options["MultiPV"];
345
346   // Pick integer skill levels, but non-deterministically round up or down
347   // such that the average integer skill corresponds to the input floating point one.
348   // UCI_Elo is converted to a suitable fractional skill level, using anchoring
349   // to CCRL Elo (goldfish 1.13 = 2000) and a fit through Ordo derived Elo
350   // for match (TC 60+0.6) results spanning a wide range of k values.
351   PRNG rng(now());
352   double floatLevel = Options["UCI_LimitStrength"] ?
353                         clamp(std::pow((Options["UCI_Elo"] - 1346.6) / 143.4, 1 / 0.806), 0.0, 20.0) :
354                         double(Options["Skill Level"]);
355   int intLevel = int(floatLevel) +
356                  ((floatLevel - int(floatLevel)) * 1024 > rng.rand<unsigned>() % 1024  ? 1 : 0);
357   Skill skill(intLevel);
358
359   // When playing with strength handicap enable MultiPV search that we will
360   // use behind the scenes to retrieve a set of possible moves.
361   if (skill.enabled())
362       multiPV = std::max(multiPV, (size_t)4);
363
364   multiPV = std::min(multiPV, rootMoves.size());
365
366   int ct = int(Options["Contempt"]) * PawnValueEg / 100; // From centipawns
367
368   // In analysis mode, adjust contempt in accordance with user preference
369   if (Limits.infinite || Options["UCI_AnalyseMode"])
370       ct =  Options["Analysis Contempt"] == "Off"  ? 0
371           : Options["Analysis Contempt"] == "Both" ? ct
372           : Options["Analysis Contempt"] == "White" && us == BLACK ? -ct
373           : Options["Analysis Contempt"] == "Black" && us == WHITE ? -ct
374           : ct;
375
376   // Evaluation score is from the white point of view
377   contempt = (us == WHITE ?  make_score(ct, ct / 2)
378                           : -make_score(ct, ct / 2));
379
380   // Iterative deepening loop until requested to stop or the target depth is reached
381   while (   ++rootDepth < MAX_PLY
382          && !Threads.stop
383          && !(Limits.depth && mainThread && rootDepth > Limits.depth))
384   {
385       // Age out PV variability metric
386       if (mainThread)
387           totBestMoveChanges /= 2;
388
389       // Save the last iteration's scores before first PV line is searched and
390       // all the move scores except the (new) PV are set to -VALUE_INFINITE.
391       for (RootMove& rm : rootMoves)
392           rm.previousScore = rm.score;
393
394       size_t pvFirst = 0;
395       pvLast = 0;
396
397       // MultiPV loop. We perform a full root search for each PV line
398       for (pvIdx = 0; pvIdx < multiPV && !Threads.stop; ++pvIdx)
399       {
400           if (pvIdx == pvLast)
401           {
402               pvFirst = pvLast;
403               for (pvLast++; pvLast < rootMoves.size(); pvLast++)
404                   if (rootMoves[pvLast].tbRank != rootMoves[pvFirst].tbRank)
405                       break;
406           }
407
408           // Reset UCI info selDepth for each depth and each PV line
409           selDepth = 0;
410
411           // Reset aspiration window starting size
412           if (rootDepth >= 4)
413           {
414               Value previousScore = rootMoves[pvIdx].previousScore;
415               delta = Value(23);
416               alpha = std::max(previousScore - delta,-VALUE_INFINITE);
417               beta  = std::min(previousScore + delta, VALUE_INFINITE);
418
419               // Adjust contempt based on root move's previousScore (dynamic contempt)
420               int dct = ct + 86 * previousScore / (abs(previousScore) + 176);
421
422               contempt = (us == WHITE ?  make_score(dct, dct / 2)
423                                       : -make_score(dct, dct / 2));
424           }
425
426           // Start with a small aspiration window and, in the case of a fail
427           // high/low, re-search with a bigger window until we don't fail
428           // high/low anymore.
429           int failedHighCnt = 0;
430           while (true)
431           {
432               Depth adjustedDepth = std::max(1, rootDepth - failedHighCnt);
433               bestValue = ::search<PV>(rootPos, ss, alpha, beta, adjustedDepth, false);
434
435               // Bring the best move to the front. It is critical that sorting
436               // is done with a stable algorithm because all the values but the
437               // first and eventually the new best one are set to -VALUE_INFINITE
438               // and we want to keep the same order for all the moves except the
439               // new PV that goes to the front. Note that in case of MultiPV
440               // search the already searched PV lines are preserved.
441               std::stable_sort(rootMoves.begin() + pvIdx, rootMoves.begin() + pvLast);
442
443               // If search has been stopped, we break immediately. Sorting is
444               // safe because RootMoves is still valid, although it refers to
445               // the previous iteration.
446               if (Threads.stop)
447                   break;
448
449               // When failing high/low give some update (without cluttering
450               // the UI) before a re-search.
451               if (   mainThread
452                   && multiPV == 1
453                   && (bestValue <= alpha || bestValue >= beta)
454                   && Time.elapsed() > 3000)
455                   sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
456
457               // In case of failing low/high increase aspiration window and
458               // re-search, otherwise exit the loop.
459               if (bestValue <= alpha)
460               {
461                   beta = (alpha + beta) / 2;
462                   alpha = std::max(bestValue - delta, -VALUE_INFINITE);
463
464                   failedHighCnt = 0;
465                   if (mainThread)
466                       mainThread->stopOnPonderhit = false;
467               }
468               else if (bestValue >= beta)
469               {
470                   beta = std::min(bestValue + delta, VALUE_INFINITE);
471                   ++failedHighCnt;
472               }
473               else
474               {
475                   ++rootMoves[pvIdx].bestMoveCount;
476                   break;
477               }
478
479               delta += delta / 4 + 5;
480
481               assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && beta <= VALUE_INFINITE);
482           }
483
484           // Sort the PV lines searched so far and update the GUI
485           std::stable_sort(rootMoves.begin() + pvFirst, rootMoves.begin() + pvIdx + 1);
486
487           if (    mainThread
488               && (Threads.stop || pvIdx + 1 == multiPV || Time.elapsed() > 3000))
489               sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
490       }
491
492       if (!Threads.stop)
493           completedDepth = rootDepth;
494
495       if (rootMoves[0].pv[0] != lastBestMove) {
496          lastBestMove = rootMoves[0].pv[0];
497          lastBestMoveDepth = rootDepth;
498       }
499
500       // Have we found a "mate in x"?
501       if (   Limits.mate
502           && bestValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY
503           && VALUE_MATE - bestValue <= 2 * Limits.mate)
504           Threads.stop = true;
505
506       if (!mainThread)
507           continue;
508
509       // If skill level is enabled and time is up, pick a sub-optimal best move
510       if (skill.enabled() && skill.time_to_pick(rootDepth))
511           skill.pick_best(multiPV);
512
513       // Do we have time for the next iteration? Can we stop searching now?
514       if (    Limits.use_time_management()
515           && !Threads.stop
516           && !mainThread->stopOnPonderhit)
517       {
518           double fallingEval = (354 + 10 * (mainThread->previousScore - bestValue)) / 692.0;
519           fallingEval = clamp(fallingEval, 0.5, 1.5);
520
521           // If the bestMove is stable over several iterations, reduce time accordingly
522           timeReduction = lastBestMoveDepth + 9 < completedDepth ? 1.97 : 0.98;
523           double reduction = (1.36 + mainThread->previousTimeReduction) / (2.29 * timeReduction);
524
525           // Use part of the gained time from a previous stable move for the current move
526           for (Thread* th : Threads)
527           {
528               totBestMoveChanges += th->bestMoveChanges;
529               th->bestMoveChanges = 0;
530           }
531           double bestMoveInstability = 1 + totBestMoveChanges / Threads.size();
532
533           // Stop the search if we have only one legal move, or if available time elapsed
534           if (   rootMoves.size() == 1
535               || Time.elapsed() > Time.optimum() * fallingEval * reduction * bestMoveInstability)
536           {
537               // If we are allowed to ponder do not stop the search now but
538               // keep pondering until the GUI sends "ponderhit" or "stop".
539               if (mainThread->ponder)
540                   mainThread->stopOnPonderhit = true;
541               else
542                   Threads.stop = true;
543           }
544       }
545   }
546
547   if (!mainThread)
548       return;
549
550   mainThread->previousTimeReduction = timeReduction;
551
552   // If skill level is enabled, swap best PV line with the sub-optimal one
553   if (skill.enabled())
554       std::swap(rootMoves[0], *std::find(rootMoves.begin(), rootMoves.end(),
555                 skill.best ? skill.best : skill.pick_best(multiPV)));
556 }
557
558
559 namespace {
560
561   // search<>() is the main search function for both PV and non-PV nodes
562
563   template <NodeType NT>
564   Value search(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth, bool cutNode) {
565
566     constexpr bool PvNode = NT == PV;
567     const bool rootNode = PvNode && ss->ply == 0;
568
569     // Check if we have an upcoming move which draws by repetition, or
570     // if the opponent had an alternative move earlier to this position.
571     if (   pos.rule50_count() >= 3
572         && alpha < VALUE_DRAW
573         && !rootNode
574         && pos.has_game_cycle(ss->ply))
575     {
576         alpha = value_draw(pos.this_thread());
577         if (alpha >= beta)
578             return alpha;
579     }
580
581     // Dive into quiescence search when the depth reaches zero
582     if (depth <= 0)
583         return qsearch<NT>(pos, ss, alpha, beta);
584
585     assert(-VALUE_INFINITE <= alpha && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
586     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
587     assert(0 < depth && depth < MAX_PLY);
588     assert(!(PvNode && cutNode));
589
590     Move pv[MAX_PLY+1], capturesSearched[32], quietsSearched[64];
591     StateInfo st;
592     TTEntry* tte;
593     Key posKey;
594     Move ttMove, move, excludedMove, bestMove;
595     Depth extension, newDepth;
596     Value bestValue, value, ttValue, eval, maxValue;
597     bool ttHit, ttPv, inCheck, givesCheck, improving, doLMR, priorCapture;
598     bool captureOrPromotion, doFullDepthSearch, moveCountPruning, ttCapture;
599     Piece movedPiece;
600     int moveCount, captureCount, quietCount, singularLMR;
601
602     // Step 1. Initialize node
603     Thread* thisThread = pos.this_thread();
604     inCheck = pos.checkers();
605     priorCapture = pos.captured_piece();
606     Color us = pos.side_to_move();
607     moveCount = captureCount = quietCount = singularLMR = ss->moveCount = 0;
608     bestValue = -VALUE_INFINITE;
609     maxValue = VALUE_INFINITE;
610
611     // Check for the available remaining time
612     if (thisThread == Threads.main())
613         static_cast<MainThread*>(thisThread)->check_time();
614
615     // Used to send selDepth info to GUI (selDepth counts from 1, ply from 0)
616     if (PvNode && thisThread->selDepth < ss->ply + 1)
617         thisThread->selDepth = ss->ply + 1;
618
619     if (!rootNode)
620     {
621         // Step 2. Check for aborted search and immediate draw
622         if (   Threads.stop.load(std::memory_order_relaxed)
623             || pos.is_draw(ss->ply)
624             || ss->ply >= MAX_PLY)
625             return (ss->ply >= MAX_PLY && !inCheck) ? evaluate(pos)
626                                                     : value_draw(pos.this_thread());
627
628         // Step 3. Mate distance pruning. Even if we mate at the next move our score
629         // would be at best mate_in(ss->ply+1), but if alpha is already bigger because
630         // a shorter mate was found upward in the tree then there is no need to search
631         // because we will never beat the current alpha. Same logic but with reversed
632         // signs applies also in the opposite condition of being mated instead of giving
633         // mate. In this case return a fail-high score.
634         alpha = std::max(mated_in(ss->ply), alpha);
635         beta = std::min(mate_in(ss->ply+1), beta);
636         if (alpha >= beta)
637             return alpha;
638     }
639
640     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
641
642     (ss+1)->ply = ss->ply + 1;
643     (ss+1)->excludedMove = bestMove = MOVE_NONE;
644     (ss+2)->killers[0] = (ss+2)->killers[1] = MOVE_NONE;
645     Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
646
647     // Initialize statScore to zero for the grandchildren of the current position.
648     // So statScore is shared between all grandchildren and only the first grandchild
649     // starts with statScore = 0. Later grandchildren start with the last calculated
650     // statScore of the previous grandchild. This influences the reduction rules in
651     // LMR which are based on the statScore of parent position.
652     if (rootNode)
653         (ss+4)->statScore = 0;
654     else
655         (ss+2)->statScore = 0;
656
657     // Step 4. Transposition table lookup. We don't want the score of a partial
658     // search to overwrite a previous full search TT value, so we use a different
659     // position key in case of an excluded move.
660     excludedMove = ss->excludedMove;
661     posKey = pos.key() ^ Key(excludedMove << 16); // Isn't a very good hash
662     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
663     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
664     ttMove =  rootNode ? thisThread->rootMoves[thisThread->pvIdx].pv[0]
665             : ttHit    ? tte->move() : MOVE_NONE;
666     ttPv = PvNode || (ttHit && tte->is_pv());
667
668     // At non-PV nodes we check for an early TT cutoff
669     if (  !PvNode
670         && ttHit
671         && tte->depth() >= depth
672         && ttValue != VALUE_NONE // Possible in case of TT access race
673         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() & BOUND_LOWER)
674                             : (tte->bound() & BOUND_UPPER)))
675     {
676         // If ttMove is quiet, update move sorting heuristics on TT hit
677         if (ttMove)
678         {
679             if (ttValue >= beta)
680             {
681                 if (!pos.capture_or_promotion(ttMove))
682                     update_quiet_stats(pos, ss, ttMove, nullptr, 0, stat_bonus(depth));
683
684                 // Extra penalty for early quiet moves of the previous ply
685                 if ((ss-1)->moveCount <= 2 && !priorCapture)
686                     update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, -stat_bonus(depth + 1));
687             }
688             // Penalty for a quiet ttMove that fails low
689             else if (!pos.capture_or_promotion(ttMove))
690             {
691                 int penalty = -stat_bonus(depth);
692                 thisThread->mainHistory[us][from_to(ttMove)] << penalty;
693                 update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(ttMove), to_sq(ttMove), penalty);
694             }
695         }
696         return ttValue;
697     }
698
699     // Step 5. Tablebases probe
700     if (!rootNode && TB::Cardinality)
701     {
702         int piecesCount = pos.count<ALL_PIECES>();
703
704         if (    piecesCount <= TB::Cardinality
705             && (piecesCount <  TB::Cardinality || depth >= TB::ProbeDepth)
706             &&  pos.rule50_count() == 0
707             && !pos.can_castle(ANY_CASTLING))
708         {
709             TB::ProbeState err;
710             TB::WDLScore wdl = Tablebases::probe_wdl(pos, &err);
711
712             // Force check of time on the next occasion
713             if (thisThread == Threads.main())
714                 static_cast<MainThread*>(thisThread)->callsCnt = 0;
715
716             if (err != TB::ProbeState::FAIL)
717             {
718                 thisThread->tbHits.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
719
720                 int drawScore = TB::UseRule50 ? 1 : 0;
721
722                 value =  wdl < -drawScore ? -VALUE_MATE + MAX_PLY + ss->ply + 1
723                        : wdl >  drawScore ?  VALUE_MATE - MAX_PLY - ss->ply - 1
724                                           :  VALUE_DRAW + 2 * wdl * drawScore;
725
726                 Bound b =  wdl < -drawScore ? BOUND_UPPER
727                          : wdl >  drawScore ? BOUND_LOWER : BOUND_EXACT;
728
729                 if (    b == BOUND_EXACT
730                     || (b == BOUND_LOWER ? value >= beta : value <= alpha))
731                 {
732                     tte->save(posKey, value_to_tt(value, ss->ply), ttPv, b,
733                               std::min(MAX_PLY - 1, depth + 6),
734                               MOVE_NONE, VALUE_NONE);
735
736                     return value;
737                 }
738
739                 if (PvNode)
740                 {
741                     if (b == BOUND_LOWER)
742                         bestValue = value, alpha = std::max(alpha, bestValue);
743                     else
744                         maxValue = value;
745                 }
746             }
747         }
748     }
749
750     // Step 6. Static evaluation of the position
751     if (inCheck)
752     {
753         ss->staticEval = eval = VALUE_NONE;
754         improving = false;
755         goto moves_loop;  // Skip early pruning when in check
756     }
757     else if (ttHit)
758     {
759         // Never assume anything about values stored in TT
760         ss->staticEval = eval = tte->eval();
761         if (eval == VALUE_NONE)
762             ss->staticEval = eval = evaluate(pos);
763
764         if (eval == VALUE_DRAW)
765             eval = value_draw(thisThread);
766
767         // Can ttValue be used as a better position evaluation?
768         if (    ttValue != VALUE_NONE
769             && (tte->bound() & (ttValue > eval ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER)))
770             eval = ttValue;
771     }
772     else
773     {
774         if ((ss-1)->currentMove != MOVE_NULL)
775         {
776             int bonus = -(ss-1)->statScore / 512;
777
778             ss->staticEval = eval = evaluate(pos) + bonus;
779         }
780         else
781             ss->staticEval = eval = -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
782
783         tte->save(posKey, VALUE_NONE, ttPv, BOUND_NONE, DEPTH_NONE, MOVE_NONE, eval);
784     }
785
786     // Step 7. Razoring (~2 Elo)
787     if (   !rootNode // The required rootNode PV handling is not available in qsearch
788         &&  depth < 2
789         &&  eval <= alpha - RazorMargin)
790         return qsearch<NT>(pos, ss, alpha, beta);
791
792     improving =   ss->staticEval >= (ss-2)->staticEval
793                || (ss-2)->staticEval == VALUE_NONE;
794
795     // Step 8. Futility pruning: child node (~30 Elo)
796     if (   !PvNode
797         &&  depth < 7
798         &&  eval - futility_margin(depth, improving) >= beta
799         &&  eval < VALUE_KNOWN_WIN) // Do not return unproven wins
800         return eval;
801
802     // Step 9. Null move search with verification search (~40 Elo)
803     if (   !PvNode
804         && (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL
805         && (ss-1)->statScore < 22661
806         &&  eval >= beta
807         &&  eval >= ss->staticEval
808         &&  ss->staticEval >= beta - 33 * depth + 299 - improving * 30
809         && !excludedMove
810         &&  pos.non_pawn_material(us)
811         && (ss->ply >= thisThread->nmpMinPly || us != thisThread->nmpColor))
812     {
813         assert(eval - beta >= 0);
814
815         // Null move dynamic reduction based on depth and value
816         Depth R = (835 + 70 * depth) / 256 + std::min(int(eval - beta) / 185, 3);
817
818         ss->currentMove = MOVE_NULL;
819         ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[0][NO_PIECE][0];
820
821         pos.do_null_move(st);
822
823         Value nullValue = -search<NonPV>(pos, ss+1, -beta, -beta+1, depth-R, !cutNode);
824
825         pos.undo_null_move();
826
827         if (nullValue >= beta)
828         {
829             // Do not return unproven mate scores
830             if (nullValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
831                 nullValue = beta;
832
833             if (thisThread->nmpMinPly || (abs(beta) < VALUE_KNOWN_WIN && depth < 13))
834                 return nullValue;
835
836             assert(!thisThread->nmpMinPly); // Recursive verification is not allowed
837
838             // Do verification search at high depths, with null move pruning disabled
839             // for us, until ply exceeds nmpMinPly.
840             thisThread->nmpMinPly = ss->ply + 3 * (depth-R) / 4;
841             thisThread->nmpColor = us;
842
843             Value v = search<NonPV>(pos, ss, beta-1, beta, depth-R, false);
844
845             thisThread->nmpMinPly = 0;
846
847             if (v >= beta)
848                 return nullValue;
849         }
850     }
851
852     // Step 10. ProbCut (~10 Elo)
853     // If we have a good enough capture and a reduced search returns a value
854     // much above beta, we can (almost) safely prune the previous move.
855     if (   !PvNode
856         &&  depth >= 5
857         &&  abs(beta) < VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
858     {
859         Value raisedBeta = std::min(beta + 191 - 46 * improving, VALUE_INFINITE);
860         MovePicker mp(pos, ttMove, raisedBeta - ss->staticEval, &thisThread->captureHistory);
861         int probCutCount = 0;
862
863         while (  (move = mp.next_move()) != MOVE_NONE
864                && probCutCount < 2 + 2 * cutNode)
865             if (move != excludedMove && pos.legal(move))
866             {
867                 probCutCount++;
868
869                 ss->currentMove = move;
870                 ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[priorCapture][pos.moved_piece(move)][to_sq(move)];
871
872                 assert(depth >= 5);
873
874                 pos.do_move(move, st);
875
876                 // Perform a preliminary qsearch to verify that the move holds
877                 value = -qsearch<NonPV>(pos, ss+1, -raisedBeta, -raisedBeta+1);
878
879                 // If the qsearch held, perform the regular search
880                 if (value >= raisedBeta)
881                     value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -raisedBeta, -raisedBeta+1, depth - 4, !cutNode);
882
883                 pos.undo_move(move);
884
885                 if (value >= raisedBeta)
886                     return value;
887             }
888     }
889
890     // Step 11. Internal iterative deepening (~2 Elo)
891     if (depth >= 7 && !ttMove)
892     {
893         search<NT>(pos, ss, alpha, beta, depth - 7, cutNode);
894
895         tte = TT.probe(posKey, ttHit);
896         ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
897         ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
898     }
899
900 moves_loop: // When in check, search starts from here
901
902     const PieceToHistory* contHist[] = { (ss-1)->continuationHistory, (ss-2)->continuationHistory,
903                                           nullptr, (ss-4)->continuationHistory,
904                                           nullptr, (ss-6)->continuationHistory };
905
906     Move countermove = thisThread->counterMoves[pos.piece_on(prevSq)][prevSq];
907
908     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, &thisThread->mainHistory,
909                                       &thisThread->captureHistory,
910                                       contHist,
911                                       countermove,
912                                       ss->killers);
913
914     value = bestValue; // Workaround a bogus 'uninitialized' warning under gcc
915     moveCountPruning = false;
916     ttCapture = ttMove && pos.capture_or_promotion(ttMove);
917
918     // Mark this node as being searched
919     ThreadHolding th(thisThread, posKey, ss->ply);
920
921     // Step 12. Loop through all pseudo-legal moves until no moves remain
922     // or a beta cutoff occurs.
923     while ((move = mp.next_move(moveCountPruning)) != MOVE_NONE)
924     {
925       assert(is_ok(move));
926
927       if (move == excludedMove)
928           continue;
929
930       // At root obey the "searchmoves" option and skip moves not listed in Root
931       // Move List. As a consequence any illegal move is also skipped. In MultiPV
932       // mode we also skip PV moves which have been already searched and those
933       // of lower "TB rank" if we are in a TB root position.
934       if (rootNode && !std::count(thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvIdx,
935                                   thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvLast, move))
936           continue;
937
938       ss->moveCount = ++moveCount;
939
940       if (rootNode && thisThread == Threads.main() && Time.elapsed() > 3000)
941           sync_cout << "info depth " << depth
942                     << " currmove " << UCI::move(move, pos.is_chess960())
943                     << " currmovenumber " << moveCount + thisThread->pvIdx << sync_endl;
944       if (PvNode)
945           (ss+1)->pv = nullptr;
946
947       extension = 0;
948       captureOrPromotion = pos.capture_or_promotion(move);
949       movedPiece = pos.moved_piece(move);
950       givesCheck = pos.gives_check(move);
951
952       // Step 13. Extensions (~70 Elo)
953
954       // Singular extension search (~60 Elo). If all moves but one fail low on a
955       // search of (alpha-s, beta-s), and just one fails high on (alpha, beta),
956       // then that move is singular and should be extended. To verify this we do
957       // a reduced search on all the other moves but the ttMove and if the
958       // result is lower than ttValue minus a margin then we will extend the ttMove.
959       if (    depth >= 6
960           &&  move == ttMove
961           && !rootNode
962           && !excludedMove // Avoid recursive singular search
963        /* &&  ttValue != VALUE_NONE Already implicit in the next condition */
964           &&  abs(ttValue) < VALUE_KNOWN_WIN
965           && (tte->bound() & BOUND_LOWER)
966           &&  tte->depth() >= depth - 3
967           &&  pos.legal(move))
968       {
969           Value singularBeta = ttValue - 2 * depth;
970           Depth halfDepth = depth / 2;
971           ss->excludedMove = move;
972           value = search<NonPV>(pos, ss, singularBeta - 1, singularBeta, halfDepth, cutNode);
973           ss->excludedMove = MOVE_NONE;
974
975           if (value < singularBeta)
976           {
977               extension = 1;
978               singularLMR++;
979
980               if (value < singularBeta - std::min(4 * depth, 36))
981                   singularLMR++;
982           }
983
984           // Multi-cut pruning
985           // Our ttMove is assumed to fail high, and now we failed high also on a reduced
986           // search without the ttMove. So we assume this expected Cut-node is not singular,
987           // that multiple moves fail high, and we can prune the whole subtree by returning
988           // a soft bound.
989           else if (   eval >= beta
990                    && singularBeta >= beta)
991               return singularBeta;
992       }
993
994       // Check extension (~2 Elo)
995       else if (    givesCheck
996                && (pos.is_discovery_check_on_king(~us, move) || pos.see_ge(move)))
997           extension = 1;
998
999       // Shuffle extension
1000       else if (   PvNode
1001                && pos.rule50_count() > 18
1002                && depth < 3
1003                && ++thisThread->shuffleExts < thisThread->nodes.load(std::memory_order_relaxed) / 4)  // To avoid too many extensions
1004           extension = 1;
1005
1006       // Passed pawn extension
1007       else if (   move == ss->killers[0]
1008                && pos.advanced_pawn_push(move)
1009                && pos.pawn_passed(us, to_sq(move)))
1010           extension = 1;
1011
1012       // Castling extension
1013       if (type_of(move) == CASTLING)
1014           extension = 1;
1015
1016       // Calculate new depth for this move
1017       newDepth = depth - 1 + extension;
1018
1019       // Step 14. Pruning at shallow depth (~170 Elo)
1020       if (  !rootNode
1021           && pos.non_pawn_material(us)
1022           && bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY)
1023       {
1024           // Skip quiet moves if movecount exceeds our FutilityMoveCount threshold
1025           moveCountPruning = moveCount >= futility_move_count(improving, depth);
1026
1027           if (   !captureOrPromotion
1028               && !givesCheck
1029               && (!pos.advanced_pawn_push(move) || pos.non_pawn_material(~us) > BishopValueMg))
1030           {
1031               // Move count based pruning
1032               if (moveCountPruning)
1033                   continue;
1034
1035               // Reduced depth of the next LMR search
1036               int lmrDepth = std::max(newDepth - reduction(improving, depth, moveCount), 0);
1037
1038               // Countermoves based pruning (~20 Elo)
1039               if (   lmrDepth < 4 + ((ss-1)->statScore > 0 || (ss-1)->moveCount == 1)
1040                   && (*contHist[0])[movedPiece][to_sq(move)] < CounterMovePruneThreshold
1041                   && (*contHist[1])[movedPiece][to_sq(move)] < CounterMovePruneThreshold)
1042                   continue;
1043
1044               // Futility pruning: parent node (~2 Elo)
1045               if (   lmrDepth < 6
1046                   && !inCheck
1047                   && ss->staticEval + 250 + 211 * lmrDepth <= alpha)
1048                   continue;
1049
1050               // Prune moves with negative SEE (~10 Elo)
1051               if (!pos.see_ge(move, Value(-(31 - std::min(lmrDepth, 18)) * lmrDepth * lmrDepth)))
1052                   continue;
1053           }
1054           else if (  !(givesCheck && extension)
1055                    && !pos.see_ge(move, Value(-199) * depth)) // (~20 Elo)
1056                   continue;
1057       }
1058
1059       // Speculative prefetch as early as possible
1060       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
1061
1062       // Check for legality just before making the move
1063       if (!rootNode && !pos.legal(move))
1064       {
1065           ss->moveCount = --moveCount;
1066           continue;
1067       }
1068
1069       // Update the current move (this must be done after singular extension search)
1070       ss->currentMove = move;
1071       ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[priorCapture][movedPiece][to_sq(move)];
1072
1073       // Step 15. Make the move
1074       pos.do_move(move, st, givesCheck);
1075
1076       // Step 16. Reduced depth search (LMR). If the move fails high it will be
1077       // re-searched at full depth.
1078       if (    depth >= 3
1079           &&  moveCount > 1 + 2 * rootNode
1080           && (!rootNode || thisThread->best_move_count(move) == 0)
1081           && (  !captureOrPromotion
1082               || moveCountPruning
1083               || ss->staticEval + PieceValue[EG][pos.captured_piece()] <= alpha
1084               || cutNode))
1085       {
1086           Depth r = reduction(improving, depth, moveCount);
1087
1088           // Reduction if other threads are searching this position.
1089           if (th.marked())
1090               r++;
1091
1092           // Decrease reduction if position is or has been on the PV
1093           if (ttPv)
1094               r -= 2;
1095
1096           // Decrease reduction if opponent's move count is high (~10 Elo)
1097           if ((ss-1)->moveCount > 15)
1098               r--;
1099
1100           // Decrease reduction if ttMove has been singularly extended
1101           r -= singularLMR;
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), doLMR = true;
1149       }
1150       else
1151           doFullDepthSearch = !PvNode || moveCount > 1, doLMR = 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 (doLMR && !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     else if (bestMove)
1274     {
1275         // Quiet best move: update move sorting heuristics
1276         if (!pos.capture_or_promotion(bestMove))
1277             update_quiet_stats(pos, ss, bestMove, quietsSearched, quietCount,
1278                                stat_bonus(depth + (bestValue > beta + PawnValueMg)));
1279
1280         update_capture_stats(pos, bestMove, capturesSearched, captureCount, stat_bonus(depth + 1));
1281
1282         // Extra penalty for a quiet TT or main killer move in previous ply when it gets refuted
1283         if (   ((ss-1)->moveCount == 1 || ((ss-1)->currentMove == (ss-1)->killers[0]))
1284             && !priorCapture)
1285                 update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, -stat_bonus(depth + 1));
1286
1287     }
1288     // Bonus for prior countermove that caused the fail low
1289     else if (   (depth >= 3 || PvNode)
1290              && !priorCapture)
1291         update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, stat_bonus(depth));
1292
1293     if (PvNode)
1294         bestValue = std::min(bestValue, maxValue);
1295
1296     if (!excludedMove)
1297         tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), ttPv,
1298                   bestValue >= beta ? BOUND_LOWER :
1299                   PvNode && bestMove ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1300                   depth, bestMove, ss->staticEval);
1301
1302     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1303
1304     return bestValue;
1305   }
1306
1307
1308   // qsearch() is the quiescence search function, which is called by the main search
1309   // function with zero depth, or recursively with further decreasing depth per call.
1310   template <NodeType NT>
1311   Value qsearch(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth) {
1312
1313     constexpr bool PvNode = NT == PV;
1314
1315     assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
1316     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
1317     assert(depth <= 0);
1318
1319     Move pv[MAX_PLY+1];
1320     StateInfo st;
1321     TTEntry* tte;
1322     Key posKey;
1323     Move ttMove, move, bestMove;
1324     Depth ttDepth;
1325     Value bestValue, value, ttValue, futilityValue, futilityBase, oldAlpha;
1326     bool ttHit, pvHit, inCheck, givesCheck, evasionPrunable, priorCapture;
1327     int moveCount;
1328
1329     if (PvNode)
1330     {
1331         oldAlpha = alpha; // To flag BOUND_EXACT when eval above alpha and no available moves
1332         (ss+1)->pv = pv;
1333         ss->pv[0] = MOVE_NONE;
1334     }
1335
1336     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1337     (ss+1)->ply = ss->ply + 1;
1338     bestMove = MOVE_NONE;
1339     inCheck = pos.checkers();
1340     priorCapture = pos.captured_piece();
1341     moveCount = 0;
1342
1343     // Check for an immediate draw or maximum ply reached
1344     if (   pos.is_draw(ss->ply)
1345         || ss->ply >= MAX_PLY)
1346         return (ss->ply >= MAX_PLY && !inCheck) ? evaluate(pos) : VALUE_DRAW;
1347
1348     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
1349
1350     // Decide whether or not to include checks: this fixes also the type of
1351     // TT entry depth that we are going to use. Note that in qsearch we use
1352     // only two types of depth in TT: DEPTH_QS_CHECKS or DEPTH_QS_NO_CHECKS.
1353     ttDepth = inCheck || depth >= DEPTH_QS_CHECKS ? DEPTH_QS_CHECKS
1354                                                   : DEPTH_QS_NO_CHECKS;
1355     // Transposition table lookup
1356     posKey = pos.key();
1357     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
1358     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
1359     ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
1360     pvHit = ttHit && tte->is_pv();
1361
1362     if (  !PvNode
1363         && ttHit
1364         && tte->depth() >= ttDepth
1365         && ttValue != VALUE_NONE // Only in case of TT access race
1366         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() & BOUND_LOWER)
1367                             : (tte->bound() & BOUND_UPPER)))
1368         return ttValue;
1369
1370     // Evaluate the position statically
1371     if (inCheck)
1372     {
1373         ss->staticEval = VALUE_NONE;
1374         bestValue = futilityBase = -VALUE_INFINITE;
1375     }
1376     else
1377     {
1378         if (ttHit)
1379         {
1380             // Never assume anything about values stored in TT
1381             if ((ss->staticEval = bestValue = tte->eval()) == VALUE_NONE)
1382                 ss->staticEval = bestValue = evaluate(pos);
1383
1384             // Can ttValue be used as a better position evaluation?
1385             if (    ttValue != VALUE_NONE
1386                 && (tte->bound() & (ttValue > bestValue ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER)))
1387                 bestValue = ttValue;
1388         }
1389         else
1390             ss->staticEval = bestValue =
1391             (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL ? evaluate(pos)
1392                                              : -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
1393
1394         // Stand pat. Return immediately if static value is at least beta
1395         if (bestValue >= beta)
1396         {
1397             if (!ttHit)
1398                 tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), pvHit, BOUND_LOWER,
1399                           DEPTH_NONE, MOVE_NONE, ss->staticEval);
1400
1401             return bestValue;
1402         }
1403
1404         if (PvNode && bestValue > alpha)
1405             alpha = bestValue;
1406
1407         futilityBase = bestValue + 153;
1408     }
1409
1410     const PieceToHistory* contHist[] = { (ss-1)->continuationHistory, (ss-2)->continuationHistory,
1411                                           nullptr, (ss-4)->continuationHistory,
1412                                           nullptr, (ss-6)->continuationHistory };
1413
1414     // Initialize a MovePicker object for the current position, and prepare
1415     // to search the moves. Because the depth is <= 0 here, only captures,
1416     // queen promotions and checks (only if depth >= DEPTH_QS_CHECKS) will
1417     // be generated.
1418     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, &thisThread->mainHistory,
1419                                       &thisThread->captureHistory,
1420                                       contHist,
1421                                       to_sq((ss-1)->currentMove));
1422
1423     // Loop through the moves until no moves remain or a beta cutoff occurs
1424     while ((move = mp.next_move()) != MOVE_NONE)
1425     {
1426       assert(is_ok(move));
1427
1428       givesCheck = pos.gives_check(move);
1429
1430       moveCount++;
1431
1432       // Futility pruning
1433       if (   !inCheck
1434           && !givesCheck
1435           &&  futilityBase > -VALUE_KNOWN_WIN
1436           && !pos.advanced_pawn_push(move))
1437       {
1438           assert(type_of(move) != ENPASSANT); // Due to !pos.advanced_pawn_push
1439
1440           futilityValue = futilityBase + PieceValue[EG][pos.piece_on(to_sq(move))];
1441
1442           if (futilityValue <= alpha)
1443           {
1444               bestValue = std::max(bestValue, futilityValue);
1445               continue;
1446           }
1447
1448           if (futilityBase <= alpha && !pos.see_ge(move, VALUE_ZERO + 1))
1449           {
1450               bestValue = std::max(bestValue, futilityBase);
1451               continue;
1452           }
1453       }
1454
1455       // Detect non-capture evasions that are candidates to be pruned
1456       evasionPrunable =    inCheck
1457                        &&  (depth != 0 || moveCount > 2)
1458                        &&  bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY
1459                        && !pos.capture(move);
1460
1461       // Don't search moves with negative SEE values
1462       if (  (!inCheck || evasionPrunable)
1463           && (!givesCheck || !(pos.blockers_for_king(~pos.side_to_move()) & from_sq(move)))
1464           && !pos.see_ge(move))
1465           continue;
1466
1467       // Speculative prefetch as early as possible
1468       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
1469
1470       // Check for legality just before making the move
1471       if (!pos.legal(move))
1472       {
1473           moveCount--;
1474           continue;
1475       }
1476
1477       ss->currentMove = move;
1478       ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[priorCapture][pos.moved_piece(move)][to_sq(move)];
1479
1480       // Make and search the move
1481       pos.do_move(move, st, givesCheck);
1482       value = -qsearch<NT>(pos, ss+1, -beta, -alpha, depth - 1);
1483       pos.undo_move(move);
1484
1485       assert(value > -VALUE_INFINITE && value < VALUE_INFINITE);
1486
1487       // Check for a new best move
1488       if (value > bestValue)
1489       {
1490           bestValue = value;
1491
1492           if (value > alpha)
1493           {
1494               bestMove = move;
1495
1496               if (PvNode) // Update pv even in fail-high case
1497                   update_pv(ss->pv, move, (ss+1)->pv);
1498
1499               if (PvNode && value < beta) // Update alpha here!
1500                   alpha = value;
1501               else
1502                   break; // Fail high
1503           }
1504        }
1505     }
1506
1507     // All legal moves have been searched. A special case: If we're in check
1508     // and no legal moves were found, it is checkmate.
1509     if (inCheck && bestValue == -VALUE_INFINITE)
1510         return mated_in(ss->ply); // Plies to mate from the root
1511
1512     tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), pvHit,
1513               bestValue >= beta ? BOUND_LOWER :
1514               PvNode && bestValue > oldAlpha  ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1515               ttDepth, bestMove, ss->staticEval);
1516
1517     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1518
1519     return bestValue;
1520   }
1521
1522
1523   // value_to_tt() adjusts a mate score from "plies to mate from the root" to
1524   // "plies to mate from the current position". Non-mate scores are unchanged.
1525   // The function is called before storing a value in the transposition table.
1526
1527   Value value_to_tt(Value v, int ply) {
1528
1529     assert(v != VALUE_NONE);
1530
1531     return  v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v + ply
1532           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v - ply : v;
1533   }
1534
1535
1536   // value_from_tt() is the inverse of value_to_tt(): It adjusts a mate score
1537   // from the transposition table (which refers to the plies to mate/be mated
1538   // from current position) to "plies to mate/be mated from the root".
1539
1540   Value value_from_tt(Value v, int ply) {
1541
1542     return  v == VALUE_NONE             ? VALUE_NONE
1543           : v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v - ply
1544           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v + ply : v;
1545   }
1546
1547
1548   // update_pv() adds current move and appends child pv[]
1549
1550   void update_pv(Move* pv, Move move, Move* childPv) {
1551
1552     for (*pv++ = move; childPv && *childPv != MOVE_NONE; )
1553         *pv++ = *childPv++;
1554     *pv = MOVE_NONE;
1555   }
1556
1557
1558   // update_continuation_histories() updates histories of the move pairs formed
1559   // by moves at ply -1, -2, and -4 with current move.
1560
1561   void update_continuation_histories(Stack* ss, Piece pc, Square to, int bonus) {
1562
1563     for (int i : {1, 2, 4, 6})
1564         if (is_ok((ss-i)->currentMove))
1565             (*(ss-i)->continuationHistory)[pc][to] << bonus;
1566   }
1567
1568
1569   // update_capture_stats() updates move sorting heuristics when a new capture best move is found
1570
1571   void update_capture_stats(const Position& pos, Move move,
1572                             Move* captures, int captureCount, int bonus) {
1573
1574       CapturePieceToHistory& captureHistory = pos.this_thread()->captureHistory;
1575       Piece moved_piece = pos.moved_piece(move);
1576       PieceType captured = type_of(pos.piece_on(to_sq(move)));
1577
1578       if (pos.capture_or_promotion(move))
1579           captureHistory[moved_piece][to_sq(move)][captured] << bonus;
1580
1581       // Decrease all the other played capture moves
1582       for (int i = 0; i < captureCount; ++i)
1583       {
1584           moved_piece = pos.moved_piece(captures[i]);
1585           captured = type_of(pos.piece_on(to_sq(captures[i])));
1586           captureHistory[moved_piece][to_sq(captures[i])][captured] << -bonus;
1587       }
1588   }
1589
1590
1591   // update_quiet_stats() updates move sorting heuristics when a new quiet best move is found
1592
1593   void update_quiet_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move move,
1594                           Move* quiets, int quietCount, int bonus) {
1595
1596     if (ss->killers[0] != move)
1597     {
1598         ss->killers[1] = ss->killers[0];
1599         ss->killers[0] = move;
1600     }
1601
1602     Color us = pos.side_to_move();
1603     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1604     thisThread->mainHistory[us][from_to(move)] << bonus;
1605     update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(move), to_sq(move), bonus);
1606
1607     if (type_of(pos.moved_piece(move)) != PAWN)
1608         thisThread->mainHistory[us][from_to(reverse_move(move))] << -bonus;
1609
1610     if (is_ok((ss-1)->currentMove))
1611     {
1612         Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
1613         thisThread->counterMoves[pos.piece_on(prevSq)][prevSq] = move;
1614     }
1615
1616     // Decrease all the other played quiet moves
1617     for (int i = 0; i < quietCount; ++i)
1618     {
1619         thisThread->mainHistory[us][from_to(quiets[i])] << -bonus;
1620         update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(quiets[i]), to_sq(quiets[i]), -bonus);
1621     }
1622   }
1623
1624   // When playing with strength handicap, choose best move among a set of RootMoves
1625   // using a statistical rule dependent on 'level'. Idea by Heinz van Saanen.
1626
1627   Move Skill::pick_best(size_t multiPV) {
1628
1629     const RootMoves& rootMoves = Threads.main()->rootMoves;
1630     static PRNG rng(now()); // PRNG sequence should be non-deterministic
1631
1632     // RootMoves are already sorted by score in descending order
1633     Value topScore = rootMoves[0].score;
1634     int delta = std::min(topScore - rootMoves[multiPV - 1].score, PawnValueMg);
1635     int weakness = 120 - 2 * level;
1636     int maxScore = -VALUE_INFINITE;
1637
1638     // Choose best move. For each move score we add two terms, both dependent on
1639     // weakness. One is deterministic and bigger for weaker levels, and one is
1640     // random. Then we choose the move with the resulting highest score.
1641     for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1642     {
1643         // This is our magic formula
1644         int push = (  weakness * int(topScore - rootMoves[i].score)
1645                     + delta * (rng.rand<unsigned>() % weakness)) / 128;
1646
1647         if (rootMoves[i].score + push >= maxScore)
1648         {
1649             maxScore = rootMoves[i].score + push;
1650             best = rootMoves[i].pv[0];
1651         }
1652     }
1653
1654     return best;
1655   }
1656
1657 } // namespace
1658
1659 /// MainThread::check_time() is used to print debug info and, more importantly,
1660 /// to detect when we are out of available time and thus stop the search.
1661
1662 void MainThread::check_time() {
1663
1664   if (--callsCnt > 0)
1665       return;
1666
1667   // When using nodes, ensure checking rate is not lower than 0.1% of nodes
1668   callsCnt = Limits.nodes ? std::min(1024, int(Limits.nodes / 1024)) : 1024;
1669
1670   static TimePoint lastInfoTime = now();
1671
1672   TimePoint elapsed = Time.elapsed();
1673   TimePoint tick = Limits.startTime + elapsed;
1674
1675   if (tick - lastInfoTime >= 1000)
1676   {
1677       lastInfoTime = tick;
1678       dbg_print();
1679   }
1680
1681   // We should not stop pondering until told so by the GUI
1682   if (ponder)
1683       return;
1684
1685   if (   (Limits.use_time_management() && (elapsed > Time.maximum() - 10 || stopOnPonderhit))
1686       || (Limits.movetime && elapsed >= Limits.movetime)
1687       || (Limits.nodes && Threads.nodes_searched() >= (uint64_t)Limits.nodes))
1688       Threads.stop = true;
1689 }
1690
1691
1692 /// UCI::pv() formats PV information according to the UCI protocol. UCI requires
1693 /// that all (if any) unsearched PV lines are sent using a previous search score.
1694
1695 string UCI::pv(const Position& pos, Depth depth, Value alpha, Value beta) {
1696
1697   std::stringstream ss;
1698   TimePoint elapsed = Time.elapsed() + 1;
1699   const RootMoves& rootMoves = pos.this_thread()->rootMoves;
1700   size_t pvIdx = pos.this_thread()->pvIdx;
1701   size_t multiPV = std::min((size_t)Options["MultiPV"], rootMoves.size());
1702   uint64_t nodesSearched = Threads.nodes_searched();
1703   uint64_t tbHits = Threads.tb_hits() + (TB::RootInTB ? rootMoves.size() : 0);
1704
1705   for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1706   {
1707       bool updated = (i <= pvIdx && rootMoves[i].score != -VALUE_INFINITE);
1708
1709       if (depth == 1 && !updated)
1710           continue;
1711
1712       Depth d = updated ? depth : depth - 1;
1713       Value v = updated ? rootMoves[i].score : rootMoves[i].previousScore;
1714
1715       bool tb = TB::RootInTB && abs(v) < VALUE_MATE - MAX_PLY;
1716       v = tb ? rootMoves[i].tbScore : v;
1717
1718       if (ss.rdbuf()->in_avail()) // Not at first line
1719           ss << "\n";
1720
1721       ss << "info"
1722          << " depth "    << d
1723          << " seldepth " << rootMoves[i].selDepth
1724          << " multipv "  << i + 1
1725          << " score "    << UCI::value(v);
1726
1727       if (!tb && i == pvIdx)
1728           ss << (v >= beta ? " lowerbound" : v <= alpha ? " upperbound" : "");
1729
1730       ss << " nodes "    << nodesSearched
1731          << " nps "      << nodesSearched * 1000 / elapsed;
1732
1733       if (elapsed > 1000) // Earlier makes little sense
1734           ss << " hashfull " << TT.hashfull();
1735
1736       ss << " tbhits "   << tbHits
1737          << " time "     << elapsed
1738          << " pv";
1739
1740       for (Move m : rootMoves[i].pv)
1741           ss << " " << UCI::move(m, pos.is_chess960());
1742   }
1743
1744   return ss.str();
1745 }
1746
1747
1748 /// RootMove::extract_ponder_from_tt() is called in case we have no ponder move
1749 /// before exiting the search, for instance, in case we stop the search during a
1750 /// fail high at root. We try hard to have a ponder move to return to the GUI,
1751 /// otherwise in case of 'ponder on' we have nothing to think on.
1752
1753 bool RootMove::extract_ponder_from_tt(Position& pos) {
1754
1755     StateInfo st;
1756     bool ttHit;
1757
1758     assert(pv.size() == 1);
1759
1760     if (pv[0] == MOVE_NONE)
1761         return false;
1762
1763     pos.do_move(pv[0], st);
1764     TTEntry* tte = TT.probe(pos.key(), ttHit);
1765
1766     if (ttHit)
1767     {
1768         Move m = tte->move(); // Local copy to be SMP safe
1769         if (MoveList<LEGAL>(pos).contains(m))
1770             pv.push_back(m);
1771     }
1772
1773     pos.undo_move(pv[0]);
1774     return pv.size() > 1;
1775 }
1776
1777 void Tablebases::rank_root_moves(Position& pos, Search::RootMoves& rootMoves) {
1778
1779     RootInTB = false;
1780     UseRule50 = bool(Options["Syzygy50MoveRule"]);
1781     ProbeDepth = int(Options["SyzygyProbeDepth"]);
1782     Cardinality = int(Options["SyzygyProbeLimit"]);
1783     bool dtz_available = true;
1784
1785     // Tables with fewer pieces than SyzygyProbeLimit are searched with
1786     // ProbeDepth == DEPTH_ZERO
1787     if (Cardinality > MaxCardinality)
1788     {
1789         Cardinality = MaxCardinality;
1790         ProbeDepth = 0;
1791     }
1792
1793     if (Cardinality >= popcount(pos.pieces()) && !pos.can_castle(ANY_CASTLING))
1794     {
1795         // Rank moves using DTZ tables
1796         RootInTB = root_probe(pos, rootMoves);
1797
1798         if (!RootInTB)
1799         {
1800             // DTZ tables are missing; try to rank moves using WDL tables
1801             dtz_available = false;
1802             RootInTB = root_probe_wdl(pos, rootMoves);
1803         }
1804     }
1805
1806     if (RootInTB)
1807     {
1808         // Sort moves according to TB rank
1809         std::sort(rootMoves.begin(), rootMoves.end(),
1810                   [](const RootMove &a, const RootMove &b) { return a.tbRank > b.tbRank; } );
1811
1812         // Probe during search only if DTZ is not available and we are winning
1813         if (dtz_available || rootMoves[0].tbScore <= VALUE_DRAW)
1814             Cardinality = 0;
1815     }
1816     else
1817     {
1818         // Clean up if root_probe() and root_probe_wdl() have failed
1819         for (auto& m : rootMoves)
1820             m.tbRank = 0;
1821     }
1822 }