847fc762e53644abb7959622e211a1c3966b3f03
[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) 2015-2016 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 "search.h"
33 #include "timeman.h"
34 #include "thread.h"
35 #include "tt.h"
36 #include "uci.h"
37 #include "syzygy/tbprobe.h"
38
39 namespace Search {
40
41   SignalsType Signals;
42   LimitsType Limits;
43 }
44
45 namespace Tablebases {
46
47   int Cardinality;
48   uint64_t Hits;
49   bool RootInTB;
50   bool UseRule50;
51   Depth ProbeDepth;
52   Value Score;
53 }
54
55 namespace TB = Tablebases;
56
57 using std::string;
58 using Eval::evaluate;
59 using namespace Search;
60
61 namespace {
62
63   // Different node types, used as a template parameter
64   enum NodeType { NonPV, PV };
65
66   // Razoring and futility margin based on depth
67   const int razor_margin[4] = { 483, 570, 603, 554 };
68   Value futility_margin(Depth d) { return Value(200 * d); }
69
70   // Futility and reductions lookup tables, initialized at startup
71   int FutilityMoveCounts[2][16];  // [improving][depth]
72   Depth Reductions[2][2][64][64]; // [pv][improving][depth][moveNumber]
73
74   template <bool PvNode> Depth reduction(bool i, Depth d, int mn) {
75     return Reductions[PvNode][i][std::min(d, 63 * ONE_PLY)][std::min(mn, 63)];
76   }
77
78   // Skill structure is used to implement strength limit
79   struct Skill {
80     Skill(int l) : level(l) {}
81     bool enabled() const { return level < 20; }
82     bool time_to_pick(Depth depth) const { return depth / ONE_PLY == 1 + level; }
83     Move best_move(size_t multiPV) { return best ? best : pick_best(multiPV); }
84     Move pick_best(size_t multiPV);
85
86     int level;
87     Move best = MOVE_NONE;
88   };
89
90   // EasyMoveManager structure is used to detect an 'easy move'. When the PV is
91   // stable across multiple search iterations, we can quickly return the best move.
92   struct EasyMoveManager {
93
94     void clear() {
95       stableCnt = 0;
96       expectedPosKey = 0;
97       pv[0] = pv[1] = pv[2] = MOVE_NONE;
98     }
99
100     Move get(Key key) const {
101       return expectedPosKey == key ? pv[2] : MOVE_NONE;
102     }
103
104     void update(Position& pos, const std::vector<Move>& newPv) {
105
106       assert(newPv.size() >= 3);
107
108       // Keep track of how many times in a row the 3rd ply remains stable
109       stableCnt = (newPv[2] == pv[2]) ? stableCnt + 1 : 0;
110
111       if (!std::equal(newPv.begin(), newPv.begin() + 3, pv))
112       {
113           std::copy(newPv.begin(), newPv.begin() + 3, pv);
114
115           StateInfo st[2];
116           pos.do_move(newPv[0], st[0], pos.gives_check(newPv[0], CheckInfo(pos)));
117           pos.do_move(newPv[1], st[1], pos.gives_check(newPv[1], CheckInfo(pos)));
118           expectedPosKey = pos.key();
119           pos.undo_move(newPv[1]);
120           pos.undo_move(newPv[0]);
121       }
122     }
123
124     int stableCnt;
125     Key expectedPosKey;
126     Move pv[3];
127   };
128
129   // Set of rows with half bits set to 1 and half to 0. It is used to allocate
130   // the search depths across the threads.
131   typedef std::vector<int> Row;
132
133   const Row HalfDensity[] = {
134     {0, 1},
135     {1, 0},
136     {0, 0, 1, 1},
137     {0, 1, 1, 0},
138     {1, 1, 0, 0},
139     {1, 0, 0, 1},
140     {0, 0, 0, 1, 1, 1},
141     {0, 0, 1, 1, 1, 0},
142     {0, 1, 1, 1, 0, 0},
143     {1, 1, 1, 0, 0, 0},
144     {1, 1, 0, 0, 0, 1},
145     {1, 0, 0, 0, 1, 1},
146     {0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1},
147     {0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0},
148     {0, 0, 1, 1, 1, 1, 0 ,0},
149     {0, 1, 1, 1, 1, 0, 0 ,0},
150     {1, 1, 1, 1, 0, 0, 0 ,0},
151     {1, 1, 1, 0, 0, 0, 0 ,1},
152     {1, 1, 0, 0, 0, 0, 1 ,1},
153     {1, 0, 0, 0, 0, 1, 1 ,1},
154   };
155
156   const size_t HalfDensitySize = std::extent<decltype(HalfDensity)>::value;
157
158   EasyMoveManager EasyMove;
159   Value DrawValue[COLOR_NB];
160   CounterMoveHistoryStats CounterMoveHistory;
161
162   template <NodeType NT>
163   Value search(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth, bool cutNode);
164
165   template <NodeType NT, bool InCheck>
166   Value qsearch(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth);
167
168   Value value_to_tt(Value v, int ply);
169   Value value_from_tt(Value v, int ply);
170   void update_pv(Move* pv, Move move, Move* childPv);
171   void update_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move move, Depth depth, Move* quiets, int quietsCnt);
172   void check_time();
173
174 } // namespace
175
176
177 /// Search::init() is called during startup to initialize various lookup tables
178
179 void Search::init() {
180
181   for (int imp = 0; imp <= 1; ++imp)
182       for (int d = 1; d < 64; ++d)
183           for (int mc = 1; mc < 64; ++mc)
184           {
185               double r = log(d) * log(mc) / 2;
186               if (r < 0.80)
187                 continue;
188
189               Reductions[NonPV][imp][d][mc] = int(std::round(r)) * ONE_PLY;
190               Reductions[PV][imp][d][mc] = std::max(Reductions[NonPV][imp][d][mc] - ONE_PLY, DEPTH_ZERO);
191
192               // Increase reduction for non-PV nodes when eval is not improving
193               if (!imp && Reductions[NonPV][imp][d][mc] >= 2 * ONE_PLY)
194                 Reductions[NonPV][imp][d][mc] += ONE_PLY;
195           }
196
197   for (int d = 0; d < 16; ++d)
198   {
199       FutilityMoveCounts[0][d] = int(2.4 + 0.773 * pow(d + 0.00, 1.8));
200       FutilityMoveCounts[1][d] = int(2.9 + 1.045 * pow(d + 0.49, 1.8));
201   }
202 }
203
204
205 /// Search::clear() resets search state to zero, to obtain reproducible results
206
207 void Search::clear() {
208
209   TT.clear();
210   CounterMoveHistory.clear();
211
212   for (Thread* th : Threads)
213   {
214       th->history.clear();
215       th->counterMoves.clear();
216   }
217
218   Threads.main()->previousScore = VALUE_INFINITE;
219 }
220
221
222 /// Search::perft() is our utility to verify move generation. All the leaf nodes
223 /// up to the given depth are generated and counted, and the sum is returned.
224 template<bool Root>
225 uint64_t Search::perft(Position& pos, Depth depth) {
226
227   StateInfo st;
228   uint64_t cnt, nodes = 0;
229   CheckInfo ci(pos);
230   const bool leaf = (depth == 2 * ONE_PLY);
231
232   for (const auto& m : MoveList<LEGAL>(pos))
233   {
234       if (Root && depth <= ONE_PLY)
235           cnt = 1, nodes++;
236       else
237       {
238           pos.do_move(m, st, pos.gives_check(m, ci));
239           cnt = leaf ? MoveList<LEGAL>(pos).size() : perft<false>(pos, depth - ONE_PLY);
240           nodes += cnt;
241           pos.undo_move(m);
242       }
243       if (Root)
244           sync_cout << UCI::move(m, pos.is_chess960()) << ": " << cnt << sync_endl;
245   }
246   return nodes;
247 }
248
249 template uint64_t Search::perft<true>(Position&, Depth);
250
251
252 /// MainThread::search() is called by the main thread when the program receives
253 /// the UCI 'go' command. It searches from the root position and outputs the "bestmove".
254
255 void MainThread::search() {
256
257   Color us = rootPos.side_to_move();
258   Time.init(Limits, us, rootPos.game_ply());
259
260   int contempt = Options["Contempt"] * PawnValueEg / 100; // From centipawns
261   DrawValue[ us] = VALUE_DRAW - Value(contempt);
262   DrawValue[~us] = VALUE_DRAW + Value(contempt);
263
264   TB::Hits = 0;
265   TB::RootInTB = false;
266   TB::UseRule50 = Options["Syzygy50MoveRule"];
267   TB::ProbeDepth = Options["SyzygyProbeDepth"] * ONE_PLY;
268   TB::Cardinality = Options["SyzygyProbeLimit"];
269
270   // Skip TB probing when no TB found: !TBLargest -> !TB::Cardinality
271   if (TB::Cardinality > TB::MaxCardinality)
272   {
273       TB::Cardinality = TB::MaxCardinality;
274       TB::ProbeDepth = DEPTH_ZERO;
275   }
276
277   if (rootMoves.empty())
278   {
279       rootMoves.push_back(RootMove(MOVE_NONE));
280       sync_cout << "info depth 0 score "
281                 << UCI::value(rootPos.checkers() ? -VALUE_MATE : VALUE_DRAW)
282                 << sync_endl;
283   }
284   else
285   {
286       if (    TB::Cardinality >=  rootPos.count<ALL_PIECES>(WHITE)
287                                 + rootPos.count<ALL_PIECES>(BLACK)
288           && !rootPos.can_castle(ANY_CASTLING))
289       {
290           // If the current root position is in the tablebases, then RootMoves
291           // contains only moves that preserve the draw or the win.
292           TB::RootInTB = Tablebases::root_probe(rootPos, rootMoves, TB::Score);
293
294           if (TB::RootInTB)
295               TB::Cardinality = 0; // Do not probe tablebases during the search
296
297           else // If DTZ tables are missing, use WDL tables as a fallback
298           {
299               // Filter out moves that do not preserve the draw or the win.
300               TB::RootInTB = Tablebases::root_probe_wdl(rootPos, rootMoves, TB::Score);
301
302               // Only probe during search if winning
303               if (TB::Score <= VALUE_DRAW)
304                   TB::Cardinality = 0;
305           }
306
307           if (TB::RootInTB)
308           {
309               TB::Hits = rootMoves.size();
310
311               if (!TB::UseRule50)
312                   TB::Score =  TB::Score > VALUE_DRAW ?  VALUE_MATE - MAX_PLY - 1
313                              : TB::Score < VALUE_DRAW ? -VALUE_MATE + MAX_PLY + 1
314                                                       :  VALUE_DRAW;
315           }
316       }
317
318       for (Thread* th : Threads)
319           if (th != this)
320               th->start_searching();
321
322       Thread::search(); // Let's start searching!
323   }
324
325   // When playing in 'nodes as time' mode, subtract the searched nodes from
326   // the available ones before exiting.
327   if (Limits.npmsec)
328       Time.availableNodes += Limits.inc[us] - Threads.nodes_searched();
329
330   // When we reach the maximum depth, we can arrive here without a raise of
331   // Signals.stop. However, if we are pondering or in an infinite search,
332   // the UCI protocol states that we shouldn't print the best move before the
333   // GUI sends a "stop" or "ponderhit" command. We therefore simply wait here
334   // until the GUI sends one of those commands (which also raises Signals.stop).
335   if (!Signals.stop && (Limits.ponder || Limits.infinite))
336   {
337       Signals.stopOnPonderhit = true;
338       wait(Signals.stop);
339   }
340
341   // Stop the threads if not already stopped
342   Signals.stop = true;
343
344   // Wait until all threads have finished
345   for (Thread* th : Threads)
346       if (th != this)
347           th->wait_for_search_finished();
348
349   // Check if there are threads with a better score than main thread
350   Thread* bestThread = this;
351   if (   !this->easyMovePlayed
352       &&  Options["MultiPV"] == 1
353       && !Skill(Options["Skill Level"]).enabled()
354       &&  rootMoves[0].pv[0] != MOVE_NONE)
355   {
356       for (Thread* th : Threads)
357           if (   th->completedDepth > bestThread->completedDepth
358               && th->rootMoves[0].score > bestThread->rootMoves[0].score)
359               bestThread = th;
360   }
361
362   previousScore = bestThread->rootMoves[0].score;
363
364   // Send new PV when needed
365   if (bestThread != this)
366       sync_cout << UCI::pv(bestThread->rootPos, bestThread->completedDepth, -VALUE_INFINITE, VALUE_INFINITE) << sync_endl;
367
368   sync_cout << "bestmove " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[0], rootPos.is_chess960());
369
370   if (bestThread->rootMoves[0].pv.size() > 1 || bestThread->rootMoves[0].extract_ponder_from_tt(rootPos))
371       std::cout << " ponder " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[1], rootPos.is_chess960());
372
373   std::cout << sync_endl;
374 }
375
376
377 // Thread::search() is the main iterative deepening loop. It calls search()
378 // repeatedly with increasing depth until the allocated thinking time has been
379 // consumed, the user stops the search, or the maximum search depth is reached.
380
381 void Thread::search() {
382
383   Stack stack[MAX_PLY+7], *ss = stack+5; // To allow referencing (ss-5) and (ss+2)
384   Value bestValue, alpha, beta, delta;
385   Move easyMove = MOVE_NONE;
386   MainThread* mainThread = (this == Threads.main() ? Threads.main() : nullptr);
387
388   std::memset(ss-5, 0, 8 * sizeof(Stack));
389
390   bestValue = delta = alpha = -VALUE_INFINITE;
391   beta = VALUE_INFINITE;
392   completedDepth = DEPTH_ZERO;
393
394   if (mainThread)
395   {
396       easyMove = EasyMove.get(rootPos.key());
397       EasyMove.clear();
398       mainThread->easyMovePlayed = mainThread->failedLow = false;
399       mainThread->bestMoveChanges = 0;
400       TT.new_search();
401   }
402
403   size_t multiPV = Options["MultiPV"];
404   Skill skill(Options["Skill Level"]);
405
406   // When playing with strength handicap enable MultiPV search that we will
407   // use behind the scenes to retrieve a set of possible moves.
408   if (skill.enabled())
409       multiPV = std::max(multiPV, (size_t)4);
410
411   multiPV = std::min(multiPV, rootMoves.size());
412
413   // Iterative deepening loop until requested to stop or the target depth is reached.
414   while (++rootDepth < DEPTH_MAX && !Signals.stop && (!Limits.depth || rootDepth <= Limits.depth))
415   {
416       // Set up the new depths for the helper threads skipping on average every
417       // 2nd ply (using a half-density matrix).
418       if (!mainThread)
419       {
420           const Row& row = HalfDensity[(idx - 1) % HalfDensitySize];
421           if (row[(rootDepth + rootPos.game_ply()) % row.size()])
422              continue;
423       }
424
425       // Age out PV variability metric
426       if (mainThread)
427           mainThread->bestMoveChanges *= 0.505, mainThread->failedLow = false;
428
429       // Save the last iteration's scores before first PV line is searched and
430       // all the move scores except the (new) PV are set to -VALUE_INFINITE.
431       for (RootMove& rm : rootMoves)
432           rm.previousScore = rm.score;
433
434       // MultiPV loop. We perform a full root search for each PV line
435       for (PVIdx = 0; PVIdx < multiPV && !Signals.stop; ++PVIdx)
436       {
437           // Reset aspiration window starting size
438           if (rootDepth >= 5 * ONE_PLY)
439           {
440               delta = Value(18);
441               alpha = std::max(rootMoves[PVIdx].previousScore - delta,-VALUE_INFINITE);
442               beta  = std::min(rootMoves[PVIdx].previousScore + delta, VALUE_INFINITE);
443           }
444
445           // Start with a small aspiration window and, in the case of a fail
446           // high/low, re-search with a bigger window until we're not failing
447           // high/low anymore.
448           while (true)
449           {
450               bestValue = ::search<PV>(rootPos, ss, alpha, beta, rootDepth, false);
451
452               // Bring the best move to the front. It is critical that sorting
453               // is done with a stable algorithm because all the values but the
454               // first and eventually the new best one are set to -VALUE_INFINITE
455               // and we want to keep the same order for all the moves except the
456               // new PV that goes to the front. Note that in case of MultiPV
457               // search the already searched PV lines are preserved.
458               std::stable_sort(rootMoves.begin() + PVIdx, rootMoves.end());
459
460               // Write PV back to the transposition table in case the relevant
461               // entries have been overwritten during the search.
462               for (size_t i = 0; i <= PVIdx; ++i)
463                   rootMoves[i].insert_pv_in_tt(rootPos);
464
465               // If search has been stopped, break immediately. Sorting and
466               // writing PV back to TT is safe because RootMoves is still
467               // valid, although it refers to the previous iteration.
468               if (Signals.stop)
469                   break;
470
471               // When failing high/low give some update (without cluttering
472               // the UI) before a re-search.
473               if (   mainThread
474                   && multiPV == 1
475                   && (bestValue <= alpha || bestValue >= beta)
476                   && Time.elapsed() > 3000)
477                   sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
478
479               // In case of failing low/high increase aspiration window and
480               // re-search, otherwise exit the loop.
481               if (bestValue <= alpha)
482               {
483                   beta = (alpha + beta) / 2;
484                   alpha = std::max(bestValue - delta, -VALUE_INFINITE);
485
486                   if (mainThread)
487                   {
488                       mainThread->failedLow = true;
489                       Signals.stopOnPonderhit = false;
490                   }
491               }
492               else if (bestValue >= beta)
493               {
494                   alpha = (alpha + beta) / 2;
495                   beta = std::min(bestValue + delta, VALUE_INFINITE);
496               }
497               else
498                   break;
499
500               delta += delta / 4 + 5;
501
502               assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && beta <= VALUE_INFINITE);
503           }
504
505           // Sort the PV lines searched so far and update the GUI
506           std::stable_sort(rootMoves.begin(), rootMoves.begin() + PVIdx + 1);
507
508           if (!mainThread)
509               break;
510
511           if (Signals.stop)
512               sync_cout << "info nodes " << Threads.nodes_searched()
513                         << " time " << Time.elapsed() << sync_endl;
514
515           else if (PVIdx + 1 == multiPV || Time.elapsed() > 3000)
516               sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
517       }
518
519       if (!Signals.stop)
520           completedDepth = rootDepth;
521
522       if (!mainThread)
523           continue;
524
525       // If skill level is enabled and time is up, pick a sub-optimal best move
526       if (skill.enabled() && skill.time_to_pick(rootDepth))
527           skill.pick_best(multiPV);
528
529       // Have we found a "mate in x"?
530       if (   Limits.mate
531           && bestValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY
532           && VALUE_MATE - bestValue <= 2 * Limits.mate)
533           Signals.stop = true;
534
535       // Do we have time for the next iteration? Can we stop searching now?
536       if (Limits.use_time_management())
537       {
538           if (!Signals.stop && !Signals.stopOnPonderhit)
539           {
540               // Stop the search if only one legal move is available, or if all
541               // of the available time has been used, or if we matched an easyMove
542               // from the previous search and just did a fast verification.
543               const bool F[] = { !mainThread->failedLow,
544                                  bestValue >= mainThread->previousScore };
545
546               int improvingFactor = 640 - 160*F[0] - 126*F[1] - 124*F[0]*F[1];
547               double unstablePvFactor = 1 + mainThread->bestMoveChanges;
548
549               bool doEasyMove =   rootMoves[0].pv[0] == easyMove
550                                && mainThread->bestMoveChanges < 0.03
551                                && Time.elapsed() > Time.optimum() * 25 / 204;
552
553               if (   rootMoves.size() == 1
554                   || Time.elapsed() > Time.optimum() * unstablePvFactor * improvingFactor / 634
555                   || (mainThread->easyMovePlayed = doEasyMove))
556               {
557                   // If we are allowed to ponder do not stop the search now but
558                   // keep pondering until the GUI sends "ponderhit" or "stop".
559                   if (Limits.ponder)
560                       Signals.stopOnPonderhit = true;
561                   else
562                       Signals.stop = true;
563               }
564           }
565
566           if (rootMoves[0].pv.size() >= 3)
567               EasyMove.update(rootPos, rootMoves[0].pv);
568           else
569               EasyMove.clear();
570       }
571   }
572
573   if (!mainThread)
574       return;
575
576   // Clear any candidate easy move that wasn't stable for the last search
577   // iterations; the second condition prevents consecutive fast moves.
578   if (EasyMove.stableCnt < 6 || mainThread->easyMovePlayed)
579       EasyMove.clear();
580
581   // If skill level is enabled, swap best PV line with the sub-optimal one
582   if (skill.enabled())
583       std::swap(rootMoves[0], *std::find(rootMoves.begin(),
584                 rootMoves.end(), skill.best_move(multiPV)));
585 }
586
587
588 namespace {
589
590   // search<>() is the main search function for both PV and non-PV nodes
591
592   template <NodeType NT>
593   Value search(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth, bool cutNode) {
594
595     const bool PvNode = NT == PV;
596     const bool rootNode = PvNode && (ss-1)->ply == 0;
597
598     assert(-VALUE_INFINITE <= alpha && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
599     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
600     assert(DEPTH_ZERO < depth && depth < DEPTH_MAX);
601
602     Move pv[MAX_PLY+1], quietsSearched[64];
603     StateInfo st;
604     TTEntry* tte;
605     Key posKey;
606     Move ttMove, move, excludedMove, bestMove;
607     Depth extension, newDepth, predictedDepth;
608     Value bestValue, value, ttValue, eval, nullValue, futilityValue;
609     bool ttHit, inCheck, givesCheck, singularExtensionNode, improving;
610     bool captureOrPromotion, doFullDepthSearch;
611     int moveCount, quietCount;
612
613     // Step 1. Initialize node
614     Thread* thisThread = pos.this_thread();
615     inCheck = pos.checkers();
616     moveCount = quietCount =  ss->moveCount = 0;
617     bestValue = -VALUE_INFINITE;
618     ss->ply = (ss-1)->ply + 1;
619
620     // Check for the available remaining time
621     if (thisThread->resetCalls.load(std::memory_order_relaxed))
622     {
623         thisThread->resetCalls = false;
624         thisThread->callsCnt = 0;
625     }
626     if (++thisThread->callsCnt > 4096)
627     {
628         for (Thread* th : Threads)
629             th->resetCalls = true;
630
631         check_time();
632     }
633
634     // Used to send selDepth info to GUI
635     if (PvNode && thisThread->maxPly < ss->ply)
636         thisThread->maxPly = ss->ply;
637
638     if (!rootNode)
639     {
640         // Step 2. Check for aborted search and immediate draw
641         if (Signals.stop.load(std::memory_order_relaxed) || pos.is_draw() || ss->ply >= MAX_PLY)
642             return ss->ply >= MAX_PLY && !inCheck ? evaluate(pos)
643                                                   : DrawValue[pos.side_to_move()];
644
645         // Step 3. Mate distance pruning. Even if we mate at the next move our score
646         // would be at best mate_in(ss->ply+1), but if alpha is already bigger because
647         // a shorter mate was found upward in the tree then there is no need to search
648         // because we will never beat the current alpha. Same logic but with reversed
649         // signs applies also in the opposite condition of being mated instead of giving
650         // mate. In this case return a fail-high score.
651         alpha = std::max(mated_in(ss->ply), alpha);
652         beta = std::min(mate_in(ss->ply+1), beta);
653         if (alpha >= beta)
654             return alpha;
655     }
656
657     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
658
659     ss->currentMove = (ss+1)->excludedMove = bestMove = MOVE_NONE;
660     ss->counterMoves = nullptr;
661     (ss+1)->skipEarlyPruning = false;
662     (ss+2)->killers[0] = (ss+2)->killers[1] = MOVE_NONE;
663
664     // Step 4. Transposition table lookup. We don't want the score of a partial
665     // search to overwrite a previous full search TT value, so we use a different
666     // position key in case of an excluded move.
667     excludedMove = ss->excludedMove;
668     posKey = excludedMove ? pos.exclusion_key() : pos.key();
669     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
670     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
671     ttMove =  rootNode ? thisThread->rootMoves[thisThread->PVIdx].pv[0]
672             : ttHit    ? tte->move() : MOVE_NONE;
673
674     // At non-PV nodes we check for an early TT cutoff
675     if (  !PvNode
676         && ttHit
677         && tte->depth() >= depth
678         && ttValue != VALUE_NONE // Possible in case of TT access race
679         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() & BOUND_LOWER)
680                             : (tte->bound() & BOUND_UPPER)))
681     {
682         ss->currentMove = ttMove; // Can be MOVE_NONE
683
684         // If ttMove is quiet, update killers, history, counter move on TT hit
685         if (ttValue >= beta && ttMove && !pos.capture_or_promotion(ttMove))
686             update_stats(pos, ss, ttMove, depth, nullptr, 0);
687
688         return ttValue;
689     }
690
691     // Step 4a. Tablebase probe
692     if (!rootNode && TB::Cardinality)
693     {
694         int piecesCnt = pos.count<ALL_PIECES>(WHITE) + pos.count<ALL_PIECES>(BLACK);
695
696         if (    piecesCnt <= TB::Cardinality
697             && (piecesCnt <  TB::Cardinality || depth >= TB::ProbeDepth)
698             &&  pos.rule50_count() == 0
699             && !pos.can_castle(ANY_CASTLING))
700         {
701             int found, v = Tablebases::probe_wdl(pos, &found);
702
703             if (found)
704             {
705                 TB::Hits++;
706
707                 int drawScore = TB::UseRule50 ? 1 : 0;
708
709                 value =  v < -drawScore ? -VALUE_MATE + MAX_PLY + ss->ply
710                        : v >  drawScore ?  VALUE_MATE - MAX_PLY - ss->ply
711                                         :  VALUE_DRAW + 2 * v * drawScore;
712
713                 tte->save(posKey, value_to_tt(value, ss->ply), BOUND_EXACT,
714                           std::min(DEPTH_MAX - ONE_PLY, depth + 6 * ONE_PLY),
715                           MOVE_NONE, VALUE_NONE, TT.generation());
716
717                 return value;
718             }
719         }
720     }
721
722     // Step 5. Evaluate the position statically
723     if (inCheck)
724     {
725         ss->staticEval = eval = VALUE_NONE;
726         goto moves_loop;
727     }
728
729     else if (ttHit)
730     {
731         // Never assume anything on values stored in TT
732         if ((ss->staticEval = eval = tte->eval()) == VALUE_NONE)
733             eval = ss->staticEval = evaluate(pos);
734
735         // Can ttValue be used as a better position evaluation?
736         if (ttValue != VALUE_NONE)
737             if (tte->bound() & (ttValue > eval ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER))
738                 eval = ttValue;
739     }
740     else
741     {
742         eval = ss->staticEval =
743         (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL ? evaluate(pos)
744                                          : -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
745
746         tte->save(posKey, VALUE_NONE, BOUND_NONE, DEPTH_NONE, MOVE_NONE,
747                   ss->staticEval, TT.generation());
748     }
749
750     if (ss->skipEarlyPruning)
751         goto moves_loop;
752
753     // Step 6. Razoring (skipped when in check)
754     if (   !PvNode
755         &&  depth < 4 * ONE_PLY
756         &&  eval + razor_margin[depth] <= alpha
757         &&  ttMove == MOVE_NONE)
758     {
759         if (   depth <= ONE_PLY
760             && eval + razor_margin[3 * ONE_PLY] <= alpha)
761             return qsearch<NonPV, false>(pos, ss, alpha, beta, DEPTH_ZERO);
762
763         Value ralpha = alpha - razor_margin[depth];
764         Value v = qsearch<NonPV, false>(pos, ss, ralpha, ralpha+1, DEPTH_ZERO);
765         if (v <= ralpha)
766             return v;
767     }
768
769     // Step 7. Futility pruning: child node (skipped when in check)
770     if (   !rootNode
771         &&  depth < 7 * ONE_PLY
772         &&  eval - futility_margin(depth) >= beta
773         &&  eval < VALUE_KNOWN_WIN  // Do not return unproven wins
774         &&  pos.non_pawn_material(pos.side_to_move()))
775         return eval - futility_margin(depth);
776
777     // Step 8. Null move search with verification search (is omitted in PV nodes)
778     if (   !PvNode
779         &&  depth >= 2 * ONE_PLY
780         &&  eval >= beta
781         &&  pos.non_pawn_material(pos.side_to_move()))
782     {
783         ss->currentMove = MOVE_NULL;
784         ss->counterMoves = nullptr;
785
786         assert(eval - beta >= 0);
787
788         // Null move dynamic reduction based on depth and value
789         Depth R = ((823 + 67 * depth) / 256 + std::min((eval - beta) / PawnValueMg, 3)) * ONE_PLY;
790
791         pos.do_null_move(st);
792         (ss+1)->skipEarlyPruning = true;
793         nullValue = depth-R < ONE_PLY ? -qsearch<NonPV, false>(pos, ss+1, -beta, -beta+1, DEPTH_ZERO)
794                                       : - search<NonPV>(pos, ss+1, -beta, -beta+1, depth-R, !cutNode);
795         (ss+1)->skipEarlyPruning = false;
796         pos.undo_null_move();
797
798         if (nullValue >= beta)
799         {
800             // Do not return unproven mate scores
801             if (nullValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
802                 nullValue = beta;
803
804             if (depth < 12 * ONE_PLY && abs(beta) < VALUE_KNOWN_WIN)
805                 return nullValue;
806
807             // Do verification search at high depths
808             ss->skipEarlyPruning = true;
809             Value v = depth-R < ONE_PLY ? qsearch<NonPV, false>(pos, ss, beta-1, beta, DEPTH_ZERO)
810                                         :  search<NonPV>(pos, ss, beta-1, beta, depth-R, false);
811             ss->skipEarlyPruning = false;
812
813             if (v >= beta)
814                 return nullValue;
815         }
816     }
817
818     // Step 9. ProbCut (skipped when in check)
819     // If we have a very good capture (i.e. SEE > seeValues[captured_piece_type])
820     // and a reduced search returns a value much above beta, we can (almost)
821     // safely prune the previous move.
822     if (   !PvNode
823         &&  depth >= 5 * ONE_PLY
824         &&  abs(beta) < VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
825     {
826         Value rbeta = std::min(beta + 200, VALUE_INFINITE);
827         Depth rdepth = depth - 4 * ONE_PLY;
828
829         assert(rdepth >= ONE_PLY);
830         assert((ss-1)->currentMove != MOVE_NONE);
831         assert((ss-1)->currentMove != MOVE_NULL);
832
833         MovePicker mp(pos, ttMove, PieceValue[MG][pos.captured_piece_type()]);
834         CheckInfo ci(pos);
835
836         while ((move = mp.next_move()) != MOVE_NONE)
837             if (pos.legal(move, ci.pinned))
838             {
839                 ss->currentMove = move;
840                 ss->counterMoves = &CounterMoveHistory[pos.moved_piece(move)][to_sq(move)];
841                 pos.do_move(move, st, pos.gives_check(move, ci));
842                 value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -rbeta, -rbeta+1, rdepth, !cutNode);
843                 pos.undo_move(move);
844                 if (value >= rbeta)
845                     return value;
846             }
847     }
848
849     // Step 10. Internal iterative deepening (skipped when in check)
850     if (    depth >= (PvNode ? 5 * ONE_PLY : 8 * ONE_PLY)
851         && !ttMove
852         && (PvNode || ss->staticEval + 256 >= beta))
853     {
854         Depth d = depth - 2 * ONE_PLY - (PvNode ? DEPTH_ZERO : depth / 4);
855         ss->skipEarlyPruning = true;
856         search<NT>(pos, ss, alpha, beta, d, true);
857         ss->skipEarlyPruning = false;
858
859         tte = TT.probe(posKey, ttHit);
860         ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
861     }
862
863 moves_loop: // When in check search starts from here
864
865     Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
866     const CounterMoveStats& cmh = CounterMoveHistory[pos.piece_on(prevSq)][prevSq];
867
868     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, ss);
869     CheckInfo ci(pos);
870     value = bestValue; // Workaround a bogus 'uninitialized' warning under gcc
871     improving =   ss->staticEval >= (ss-2)->staticEval
872                || ss->staticEval == VALUE_NONE
873                ||(ss-2)->staticEval == VALUE_NONE;
874
875     singularExtensionNode =   !rootNode
876                            &&  depth >= 8 * ONE_PLY
877                            &&  ttMove != MOVE_NONE
878                        /*  &&  ttValue != VALUE_NONE Already implicit in the next condition */
879                            &&  abs(ttValue) < VALUE_KNOWN_WIN
880                            && !excludedMove // Recursive singular search is not allowed
881                            && (tte->bound() & BOUND_LOWER)
882                            &&  tte->depth() >= depth - 3 * ONE_PLY;
883
884     // Step 11. Loop through moves
885     // Loop through all pseudo-legal moves until no moves remain or a beta cutoff occurs
886     while ((move = mp.next_move()) != MOVE_NONE)
887     {
888       assert(is_ok(move));
889
890       if (move == excludedMove)
891           continue;
892
893       // At root obey the "searchmoves" option and skip moves not listed in Root
894       // Move List. As a consequence any illegal move is also skipped. In MultiPV
895       // mode we also skip PV moves which have been already searched.
896       if (rootNode && !std::count(thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->PVIdx,
897                                   thisThread->rootMoves.end(), move))
898           continue;
899
900       ss->moveCount = ++moveCount;
901
902       if (rootNode && thisThread == Threads.main() && Time.elapsed() > 3000)
903           sync_cout << "info depth " << depth / ONE_PLY
904                     << " currmove " << UCI::move(move, pos.is_chess960())
905                     << " currmovenumber " << moveCount + thisThread->PVIdx << sync_endl;
906
907       if (PvNode)
908           (ss+1)->pv = nullptr;
909
910       extension = DEPTH_ZERO;
911       captureOrPromotion = pos.capture_or_promotion(move);
912
913       givesCheck =  type_of(move) == NORMAL && !ci.dcCandidates
914                   ? ci.checkSquares[type_of(pos.piece_on(from_sq(move)))] & to_sq(move)
915                   : pos.gives_check(move, ci);
916
917       // Step 12. Extend checks
918       if (givesCheck && pos.see_sign(move) >= VALUE_ZERO)
919           extension = ONE_PLY;
920
921       // Singular extension search. If all moves but one fail low on a search of
922       // (alpha-s, beta-s), and just one fails high on (alpha, beta), then that move
923       // is singular and should be extended. To verify this we do a reduced search
924       // on all the other moves but the ttMove and if the result is lower than
925       // ttValue minus a margin then we extend the ttMove.
926       if (    singularExtensionNode
927           &&  move == ttMove
928           && !extension
929           &&  pos.legal(move, ci.pinned))
930       {
931           Value rBeta = ttValue - 2 * depth / ONE_PLY;
932           ss->excludedMove = move;
933           ss->skipEarlyPruning = true;
934           value = search<NonPV>(pos, ss, rBeta - 1, rBeta, depth / 2, cutNode);
935           ss->skipEarlyPruning = false;
936           ss->excludedMove = MOVE_NONE;
937
938           if (value < rBeta)
939               extension = ONE_PLY;
940       }
941
942       // Update the current move (this must be done after singular extension search)
943       newDepth = depth - ONE_PLY + extension;
944
945       // Step 13. Pruning at shallow depth
946       if (   !rootNode
947           && !captureOrPromotion
948           && !inCheck
949           && !givesCheck
950           && !pos.advanced_pawn_push(move)
951           &&  bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY)
952       {
953           // Move count based pruning
954           if (   depth < 16 * ONE_PLY
955               && moveCount >= FutilityMoveCounts[improving][depth])
956               continue;
957
958           // History based pruning
959           if (   depth <= 4 * ONE_PLY
960               && move != ss->killers[0]
961               && thisThread->history[pos.moved_piece(move)][to_sq(move)] < VALUE_ZERO
962               && cmh[pos.moved_piece(move)][to_sq(move)] < VALUE_ZERO)
963               continue;
964
965           predictedDepth = std::max(newDepth - reduction<PvNode>(improving, depth, moveCount), DEPTH_ZERO);
966
967           // Futility pruning: parent node
968           if (predictedDepth < 7 * ONE_PLY)
969           {
970               futilityValue = ss->staticEval + futility_margin(predictedDepth) + 256;
971
972               if (futilityValue <= alpha)
973               {
974                   bestValue = std::max(bestValue, futilityValue);
975                   continue;
976               }
977           }
978
979           // Prune moves with negative SEE at low depths
980           if (predictedDepth < 4 * ONE_PLY && pos.see_sign(move) < VALUE_ZERO)
981               continue;
982       }
983
984       // Speculative prefetch as early as possible
985       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
986
987       // Check for legality just before making the move
988       if (!rootNode && !pos.legal(move, ci.pinned))
989       {
990           ss->moveCount = --moveCount;
991           continue;
992       }
993
994       ss->currentMove = move;
995       ss->counterMoves = &CounterMoveHistory[pos.moved_piece(move)][to_sq(move)];
996
997       // Step 14. Make the move
998       pos.do_move(move, st, givesCheck);
999
1000       // Step 15. Reduced depth search (LMR). If the move fails high it will be
1001       // re-searched at full depth.
1002       if (    depth >= 3 * ONE_PLY
1003           &&  moveCount > 1
1004           && !captureOrPromotion)
1005       {
1006           Depth r = reduction<PvNode>(improving, depth, moveCount);
1007           Value hValue = thisThread->history[pos.piece_on(to_sq(move))][to_sq(move)];
1008           Value cmhValue = cmh[pos.piece_on(to_sq(move))][to_sq(move)];
1009
1010           // Increase reduction for cut nodes and moves with a bad history
1011           if (   (!PvNode && cutNode)
1012               || (hValue < VALUE_ZERO && cmhValue <= VALUE_ZERO))
1013               r += ONE_PLY;
1014
1015           // Decrease/increase reduction for moves with a good/bad history
1016           int rHist = (hValue + cmhValue) / 14980;
1017           r = std::max(DEPTH_ZERO, r - rHist * ONE_PLY);
1018
1019           // Decrease reduction for moves that escape a capture. Filter out
1020           // castling moves, because they are coded as "king captures rook" and
1021           // hence break make_move(). Also use see() instead of see_sign(),
1022           // because the destination square is empty.
1023           if (   r
1024               && type_of(move) == NORMAL
1025               && type_of(pos.piece_on(to_sq(move))) != PAWN
1026               && pos.see(make_move(to_sq(move), from_sq(move))) < VALUE_ZERO)
1027               r = std::max(DEPTH_ZERO, r - ONE_PLY);
1028
1029           Depth d = std::max(newDepth - r, ONE_PLY);
1030
1031           value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, d, true);
1032
1033           doFullDepthSearch = (value > alpha && r != DEPTH_ZERO);
1034       }
1035       else
1036           doFullDepthSearch = !PvNode || moveCount > 1;
1037
1038       // Step 16. Full depth search when LMR is skipped or fails high
1039       if (doFullDepthSearch)
1040           value = newDepth <   ONE_PLY ?
1041                             givesCheck ? -qsearch<NonPV,  true>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, DEPTH_ZERO)
1042                                        : -qsearch<NonPV, false>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, DEPTH_ZERO)
1043                                        : - search<NonPV>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, newDepth, !cutNode);
1044
1045       // For PV nodes only, do a full PV search on the first move or after a fail
1046       // high (in the latter case search only if value < beta), otherwise let the
1047       // parent node fail low with value <= alpha and try another move.
1048       if (PvNode && (moveCount == 1 || (value > alpha && (rootNode || value < beta))))
1049       {
1050           (ss+1)->pv = pv;
1051           (ss+1)->pv[0] = MOVE_NONE;
1052
1053           value = newDepth <   ONE_PLY ?
1054                             givesCheck ? -qsearch<PV,  true>(pos, ss+1, -beta, -alpha, DEPTH_ZERO)
1055                                        : -qsearch<PV, false>(pos, ss+1, -beta, -alpha, DEPTH_ZERO)
1056                                        : - search<PV>(pos, ss+1, -beta, -alpha, newDepth, false);
1057       }
1058
1059       // Step 17. Undo move
1060       pos.undo_move(move);
1061
1062       assert(value > -VALUE_INFINITE && value < VALUE_INFINITE);
1063
1064       // Step 18. Check for a new best move
1065       // Finished searching the move. If a stop occurred, the return value of
1066       // the search cannot be trusted, and we return immediately without
1067       // updating best move, PV and TT.
1068       if (Signals.stop.load(std::memory_order_relaxed))
1069           return VALUE_ZERO;
1070
1071       if (rootNode)
1072       {
1073           RootMove& rm = *std::find(thisThread->rootMoves.begin(),
1074                                     thisThread->rootMoves.end(), move);
1075
1076           // PV move or new best move ?
1077           if (moveCount == 1 || value > alpha)
1078           {
1079               rm.score = value;
1080               rm.pv.resize(1);
1081
1082               assert((ss+1)->pv);
1083
1084               for (Move* m = (ss+1)->pv; *m != MOVE_NONE; ++m)
1085                   rm.pv.push_back(*m);
1086
1087               // We record how often the best move has been changed in each
1088               // iteration. This information is used for time management: When
1089               // the best move changes frequently, we allocate some more time.
1090               if (moveCount > 1 && thisThread == Threads.main())
1091                   ++static_cast<MainThread*>(thisThread)->bestMoveChanges;
1092           }
1093           else
1094               // All other moves but the PV are set to the lowest value: this is
1095               // not a problem when sorting because the sort is stable and the
1096               // move position in the list is preserved - just the PV is pushed up.
1097               rm.score = -VALUE_INFINITE;
1098       }
1099
1100       if (value > bestValue)
1101       {
1102           bestValue = value;
1103
1104           if (value > alpha)
1105           {
1106               // If there is an easy move for this position, clear it if unstable
1107               if (    PvNode
1108                   &&  thisThread == Threads.main()
1109                   &&  EasyMove.get(pos.key())
1110                   && (move != EasyMove.get(pos.key()) || moveCount > 1))
1111                   EasyMove.clear();
1112
1113               bestMove = move;
1114
1115               if (PvNode && !rootNode) // Update pv even in fail-high case
1116                   update_pv(ss->pv, move, (ss+1)->pv);
1117
1118               if (PvNode && value < beta) // Update alpha! Always alpha < beta
1119                   alpha = value;
1120               else
1121               {
1122                   assert(value >= beta); // Fail high
1123                   break;
1124               }
1125           }
1126       }
1127
1128       if (!captureOrPromotion && move != bestMove && quietCount < 64)
1129           quietsSearched[quietCount++] = move;
1130     }
1131
1132     // The following condition would detect a stop only after move loop has been
1133     // completed. But in this case bestValue is valid because we have fully
1134     // searched our subtree, and we can anyhow save the result in TT.
1135     /*
1136        if (Signals.stop)
1137         return VALUE_DRAW;
1138     */
1139
1140     // Step 20. Check for mate and stalemate
1141     // All legal moves have been searched and if there are no legal moves, it
1142     // must be a mate or a stalemate. If we are in a singular extension search then
1143     // return a fail low score.
1144     if (!moveCount)
1145         bestValue = excludedMove ? alpha
1146                    :     inCheck ? mated_in(ss->ply) : DrawValue[pos.side_to_move()];
1147
1148     // Quiet best move: update killers, history and countermoves
1149     else if (bestMove && !pos.capture_or_promotion(bestMove))
1150         update_stats(pos, ss, bestMove, depth, quietsSearched, quietCount);
1151
1152     // Bonus for prior countermove that caused the fail low
1153     else if (    depth >= 3 * ONE_PLY
1154              && !bestMove
1155              && !inCheck
1156              && !pos.captured_piece_type()
1157              && is_ok((ss-1)->currentMove))
1158     {
1159         Value bonus = Value((depth / ONE_PLY) * (depth / ONE_PLY) + depth / ONE_PLY - 1);
1160         if ((ss-2)->counterMoves)
1161             (ss-2)->counterMoves->update(pos.piece_on(prevSq), prevSq, bonus);
1162
1163         if ((ss-3)->counterMoves)
1164             (ss-3)->counterMoves->update(pos.piece_on(prevSq), prevSq, bonus);
1165
1166         if ((ss-5)->counterMoves)
1167             (ss-5)->counterMoves->update(pos.piece_on(prevSq), prevSq, bonus);
1168     }
1169
1170     tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply),
1171               bestValue >= beta ? BOUND_LOWER :
1172               PvNode && bestMove ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1173               depth, bestMove, ss->staticEval, TT.generation());
1174
1175     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1176
1177     return bestValue;
1178   }
1179
1180
1181   // qsearch() is the quiescence search function, which is called by the main
1182   // search function when the remaining depth is zero (or, to be more precise,
1183   // less than ONE_PLY).
1184
1185   template <NodeType NT, bool InCheck>
1186   Value qsearch(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth) {
1187
1188     const bool PvNode = NT == PV;
1189
1190     assert(InCheck == !!pos.checkers());
1191     assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
1192     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
1193     assert(depth <= DEPTH_ZERO);
1194
1195     Move pv[MAX_PLY+1];
1196     StateInfo st;
1197     TTEntry* tte;
1198     Key posKey;
1199     Move ttMove, move, bestMove;
1200     Value bestValue, value, ttValue, futilityValue, futilityBase, oldAlpha;
1201     bool ttHit, givesCheck, evasionPrunable;
1202     Depth ttDepth;
1203
1204     if (PvNode)
1205     {
1206         oldAlpha = alpha; // To flag BOUND_EXACT when eval above alpha and no available moves
1207         (ss+1)->pv = pv;
1208         ss->pv[0] = MOVE_NONE;
1209     }
1210
1211     ss->currentMove = bestMove = MOVE_NONE;
1212     ss->ply = (ss-1)->ply + 1;
1213
1214     // Check for an instant draw or if the maximum ply has been reached
1215     if (pos.is_draw() || ss->ply >= MAX_PLY)
1216         return ss->ply >= MAX_PLY && !InCheck ? evaluate(pos)
1217                                               : DrawValue[pos.side_to_move()];
1218
1219     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
1220
1221     // Decide whether or not to include checks: this fixes also the type of
1222     // TT entry depth that we are going to use. Note that in qsearch we use
1223     // only two types of depth in TT: DEPTH_QS_CHECKS or DEPTH_QS_NO_CHECKS.
1224     ttDepth = InCheck || depth >= DEPTH_QS_CHECKS ? DEPTH_QS_CHECKS
1225                                                   : DEPTH_QS_NO_CHECKS;
1226
1227     // Transposition table lookup
1228     posKey = pos.key();
1229     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
1230     ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
1231     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
1232
1233     if (  !PvNode
1234         && ttHit
1235         && tte->depth() >= ttDepth
1236         && ttValue != VALUE_NONE // Only in case of TT access race
1237         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() &  BOUND_LOWER)
1238                             : (tte->bound() &  BOUND_UPPER)))
1239     {
1240         ss->currentMove = ttMove; // Can be MOVE_NONE
1241         return ttValue;
1242     }
1243
1244     // Evaluate the position statically
1245     if (InCheck)
1246     {
1247         ss->staticEval = VALUE_NONE;
1248         bestValue = futilityBase = -VALUE_INFINITE;
1249     }
1250     else
1251     {
1252         if (ttHit)
1253         {
1254             // Never assume anything on values stored in TT
1255             if ((ss->staticEval = bestValue = tte->eval()) == VALUE_NONE)
1256                 ss->staticEval = bestValue = evaluate(pos);
1257
1258             // Can ttValue be used as a better position evaluation?
1259             if (ttValue != VALUE_NONE)
1260                 if (tte->bound() & (ttValue > bestValue ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER))
1261                     bestValue = ttValue;
1262         }
1263         else
1264             ss->staticEval = bestValue =
1265             (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL ? evaluate(pos)
1266                                              : -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
1267
1268         // Stand pat. Return immediately if static value is at least beta
1269         if (bestValue >= beta)
1270         {
1271             if (!ttHit)
1272                 tte->save(pos.key(), value_to_tt(bestValue, ss->ply), BOUND_LOWER,
1273                           DEPTH_NONE, MOVE_NONE, ss->staticEval, TT.generation());
1274
1275             return bestValue;
1276         }
1277
1278         if (PvNode && bestValue > alpha)
1279             alpha = bestValue;
1280
1281         futilityBase = bestValue + 128;
1282     }
1283
1284     // Initialize a MovePicker object for the current position, and prepare
1285     // to search the moves. Because the depth is <= 0 here, only captures,
1286     // queen promotions and checks (only if depth >= DEPTH_QS_CHECKS) will
1287     // be generated.
1288     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, to_sq((ss-1)->currentMove));
1289     CheckInfo ci(pos);
1290
1291     // Loop through the moves until no moves remain or a beta cutoff occurs
1292     while ((move = mp.next_move()) != MOVE_NONE)
1293     {
1294       assert(is_ok(move));
1295
1296       givesCheck =  type_of(move) == NORMAL && !ci.dcCandidates
1297                   ? ci.checkSquares[type_of(pos.piece_on(from_sq(move)))] & to_sq(move)
1298                   : pos.gives_check(move, ci);
1299
1300       // Futility pruning
1301       if (   !InCheck
1302           && !givesCheck
1303           &&  futilityBase > -VALUE_KNOWN_WIN
1304           && !pos.advanced_pawn_push(move))
1305       {
1306           assert(type_of(move) != ENPASSANT); // Due to !pos.advanced_pawn_push
1307
1308           futilityValue = futilityBase + PieceValue[EG][pos.piece_on(to_sq(move))];
1309
1310           if (futilityValue <= alpha)
1311           {
1312               bestValue = std::max(bestValue, futilityValue);
1313               continue;
1314           }
1315
1316           if (futilityBase <= alpha && pos.see(move) <= VALUE_ZERO)
1317           {
1318               bestValue = std::max(bestValue, futilityBase);
1319               continue;
1320           }
1321       }
1322
1323       // Detect non-capture evasions that are candidates to be pruned
1324       evasionPrunable =    InCheck
1325                        &&  bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY
1326                        && !pos.capture(move);
1327
1328       // Don't search moves with negative SEE values
1329       if (  (!InCheck || evasionPrunable)
1330           &&  type_of(move) != PROMOTION
1331           &&  pos.see_sign(move) < VALUE_ZERO)
1332           continue;
1333
1334       // Speculative prefetch as early as possible
1335       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
1336
1337       // Check for legality just before making the move
1338       if (!pos.legal(move, ci.pinned))
1339           continue;
1340
1341       ss->currentMove = move;
1342
1343       // Make and search the move
1344       pos.do_move(move, st, givesCheck);
1345       value = givesCheck ? -qsearch<NT,  true>(pos, ss+1, -beta, -alpha, depth - ONE_PLY)
1346                          : -qsearch<NT, false>(pos, ss+1, -beta, -alpha, depth - ONE_PLY);
1347       pos.undo_move(move);
1348
1349       assert(value > -VALUE_INFINITE && value < VALUE_INFINITE);
1350
1351       // Check for a new best move
1352       if (value > bestValue)
1353       {
1354           bestValue = value;
1355
1356           if (value > alpha)
1357           {
1358               if (PvNode) // Update pv even in fail-high case
1359                   update_pv(ss->pv, move, (ss+1)->pv);
1360
1361               if (PvNode && value < beta) // Update alpha here!
1362               {
1363                   alpha = value;
1364                   bestMove = move;
1365               }
1366               else // Fail high
1367               {
1368                   tte->save(posKey, value_to_tt(value, ss->ply), BOUND_LOWER,
1369                             ttDepth, move, ss->staticEval, TT.generation());
1370
1371                   return value;
1372               }
1373           }
1374        }
1375     }
1376
1377     // All legal moves have been searched. A special case: If we're in check
1378     // and no legal moves were found, it is checkmate.
1379     if (InCheck && bestValue == -VALUE_INFINITE)
1380         return mated_in(ss->ply); // Plies to mate from the root
1381
1382     tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply),
1383               PvNode && bestValue > oldAlpha ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1384               ttDepth, bestMove, ss->staticEval, TT.generation());
1385
1386     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1387
1388     return bestValue;
1389   }
1390
1391
1392   // value_to_tt() adjusts a mate score from "plies to mate from the root" to
1393   // "plies to mate from the current position". Non-mate scores are unchanged.
1394   // The function is called before storing a value in the transposition table.
1395
1396   Value value_to_tt(Value v, int ply) {
1397
1398     assert(v != VALUE_NONE);
1399
1400     return  v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v + ply
1401           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v - ply : v;
1402   }
1403
1404
1405   // value_from_tt() is the inverse of value_to_tt(): It adjusts a mate score
1406   // from the transposition table (which refers to the plies to mate/be mated
1407   // from current position) to "plies to mate/be mated from the root".
1408
1409   Value value_from_tt(Value v, int ply) {
1410
1411     return  v == VALUE_NONE             ? VALUE_NONE
1412           : v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v - ply
1413           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v + ply : v;
1414   }
1415
1416
1417   // update_pv() adds current move and appends child pv[]
1418
1419   void update_pv(Move* pv, Move move, Move* childPv) {
1420
1421     for (*pv++ = move; childPv && *childPv != MOVE_NONE; )
1422         *pv++ = *childPv++;
1423     *pv = MOVE_NONE;
1424   }
1425
1426
1427   // update_stats() updates killers, history, countermove and countermove plus
1428   // follow-up move history when a new quiet best move is found.
1429
1430   void update_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move move,
1431                     Depth depth, Move* quiets, int quietsCnt) {
1432
1433     if (ss->killers[0] != move)
1434     {
1435         ss->killers[1] = ss->killers[0];
1436         ss->killers[0] = move;
1437     }
1438
1439     Value bonus = Value((depth / ONE_PLY) * (depth / ONE_PLY) + depth / ONE_PLY - 1);
1440
1441     Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
1442     CounterMoveStats* cmh  = (ss-1)->counterMoves;
1443     CounterMoveStats* fmh  = (ss-2)->counterMoves;
1444     CounterMoveStats* fmh2 = (ss-4)->counterMoves;
1445     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1446
1447     thisThread->history.update(pos.moved_piece(move), to_sq(move), bonus);
1448
1449     if (cmh)
1450     {
1451         thisThread->counterMoves.update(pos.piece_on(prevSq), prevSq, move);
1452         cmh->update(pos.moved_piece(move), to_sq(move), bonus);
1453     }
1454
1455     if (fmh)
1456         fmh->update(pos.moved_piece(move), to_sq(move), bonus);
1457
1458     if (fmh2)
1459         fmh2->update(pos.moved_piece(move), to_sq(move), bonus);
1460
1461     // Decrease all the other played quiet moves
1462     for (int i = 0; i < quietsCnt; ++i)
1463     {
1464         thisThread->history.update(pos.moved_piece(quiets[i]), to_sq(quiets[i]), -bonus);
1465
1466         if (cmh)
1467             cmh->update(pos.moved_piece(quiets[i]), to_sq(quiets[i]), -bonus);
1468
1469         if (fmh)
1470             fmh->update(pos.moved_piece(quiets[i]), to_sq(quiets[i]), -bonus);
1471
1472         if (fmh2)
1473             fmh2->update(pos.moved_piece(quiets[i]), to_sq(quiets[i]), -bonus);
1474     }
1475
1476     // Extra penalty for a quiet TT move in previous ply when it gets refuted
1477     if ((ss-1)->moveCount == 1 && !pos.captured_piece_type())
1478     {
1479         if ((ss-2)->counterMoves)
1480             (ss-2)->counterMoves->update(pos.piece_on(prevSq), prevSq, -bonus - 2 * (depth + 1) / ONE_PLY);
1481
1482         if ((ss-3)->counterMoves)
1483             (ss-3)->counterMoves->update(pos.piece_on(prevSq), prevSq, -bonus - 2 * (depth + 1) / ONE_PLY);
1484
1485         if ((ss-5)->counterMoves)
1486             (ss-5)->counterMoves->update(pos.piece_on(prevSq), prevSq, -bonus - 2 * (depth + 1) / ONE_PLY);
1487     }
1488   }
1489
1490
1491   // When playing with strength handicap, choose best move among a set of RootMoves
1492   // using a statistical rule dependent on 'level'. Idea by Heinz van Saanen.
1493
1494   Move Skill::pick_best(size_t multiPV) {
1495
1496     const RootMoves& rootMoves = Threads.main()->rootMoves;
1497     static PRNG rng(now()); // PRNG sequence should be non-deterministic
1498
1499     // RootMoves are already sorted by score in descending order
1500     Value topScore = rootMoves[0].score;
1501     int delta = std::min(topScore - rootMoves[multiPV - 1].score, PawnValueMg);
1502     int weakness = 120 - 2 * level;
1503     int maxScore = -VALUE_INFINITE;
1504
1505     // Choose best move. For each move score we add two terms, both dependent on
1506     // weakness. One is deterministic and bigger for weaker levels, and one is
1507     // random. Then we choose the move with the resulting highest score.
1508     for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1509     {
1510         // This is our magic formula
1511         int push = (  weakness * int(topScore - rootMoves[i].score)
1512                     + delta * (rng.rand<unsigned>() % weakness)) / 128;
1513
1514         if (rootMoves[i].score + push > maxScore)
1515         {
1516             maxScore = rootMoves[i].score + push;
1517             best = rootMoves[i].pv[0];
1518         }
1519     }
1520
1521     return best;
1522   }
1523
1524
1525   // check_time() is used to print debug info and, more importantly, to detect
1526   // when we are out of available time and thus stop the search.
1527
1528   void check_time() {
1529
1530     static TimePoint lastInfoTime = now();
1531
1532     int elapsed = Time.elapsed();
1533     TimePoint tick = Limits.startTime + elapsed;
1534
1535     if (tick - lastInfoTime >= 1000)
1536     {
1537         lastInfoTime = tick;
1538         dbg_print();
1539     }
1540
1541     // An engine may not stop pondering until told so by the GUI
1542     if (Limits.ponder)
1543         return;
1544
1545     if (   (Limits.use_time_management() && elapsed > Time.maximum() - 10)
1546         || (Limits.movetime && elapsed >= Limits.movetime)
1547         || (Limits.nodes && Threads.nodes_searched() >= Limits.nodes))
1548             Signals.stop = true;
1549   }
1550
1551 } // namespace
1552
1553
1554 /// UCI::pv() formats PV information according to the UCI protocol. UCI requires
1555 /// that all (if any) unsearched PV lines are sent using a previous search score.
1556
1557 string UCI::pv(const Position& pos, Depth depth, Value alpha, Value beta) {
1558
1559   std::stringstream ss;
1560   int elapsed = Time.elapsed() + 1;
1561   const RootMoves& rootMoves = pos.this_thread()->rootMoves;
1562   size_t PVIdx = pos.this_thread()->PVIdx;
1563   size_t multiPV = std::min((size_t)Options["MultiPV"], rootMoves.size());
1564   uint64_t nodes_searched = Threads.nodes_searched();
1565
1566   for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1567   {
1568       bool updated = (i <= PVIdx);
1569
1570       if (depth == ONE_PLY && !updated)
1571           continue;
1572
1573       Depth d = updated ? depth : depth - ONE_PLY;
1574       Value v = updated ? rootMoves[i].score : rootMoves[i].previousScore;
1575
1576       bool tb = TB::RootInTB && abs(v) < VALUE_MATE - MAX_PLY;
1577       v = tb ? TB::Score : v;
1578
1579       if (ss.rdbuf()->in_avail()) // Not at first line
1580           ss << "\n";
1581
1582       ss << "info"
1583          << " depth "    << d / ONE_PLY
1584          << " seldepth " << pos.this_thread()->maxPly
1585          << " multipv "  << i + 1
1586          << " score "    << UCI::value(v);
1587
1588       if (!tb && i == PVIdx)
1589           ss << (v >= beta ? " lowerbound" : v <= alpha ? " upperbound" : "");
1590
1591       ss << " nodes "    << nodes_searched
1592          << " nps "      << nodes_searched * 1000 / elapsed;
1593
1594       if (elapsed > 1000) // Earlier makes little sense
1595           ss << " hashfull " << TT.hashfull();
1596
1597       ss << " tbhits "   << TB::Hits
1598          << " time "     << elapsed
1599          << " pv";
1600
1601       for (Move m : rootMoves[i].pv)
1602           ss << " " << UCI::move(m, pos.is_chess960());
1603   }
1604
1605   return ss.str();
1606 }
1607
1608
1609 /// RootMove::insert_pv_in_tt() is called at the end of a search iteration, and
1610 /// inserts the PV back into the TT. This makes sure the old PV moves are searched
1611 /// first, even if the old TT entries have been overwritten.
1612
1613 void RootMove::insert_pv_in_tt(Position& pos) {
1614
1615   StateInfo state[MAX_PLY], *st = state;
1616   bool ttHit;
1617
1618   for (Move m : pv)
1619   {
1620       assert(MoveList<LEGAL>(pos).contains(m));
1621
1622       TTEntry* tte = TT.probe(pos.key(), ttHit);
1623
1624       if (!ttHit || tte->move() != m) // Don't overwrite correct entries
1625           tte->save(pos.key(), VALUE_NONE, BOUND_NONE, DEPTH_NONE,
1626                     m, VALUE_NONE, TT.generation());
1627
1628       pos.do_move(m, *st++, pos.gives_check(m, CheckInfo(pos)));
1629   }
1630
1631   for (size_t i = pv.size(); i > 0; )
1632       pos.undo_move(pv[--i]);
1633 }
1634
1635
1636 /// RootMove::extract_ponder_from_tt() is called in case we have no ponder move
1637 /// before exiting the search, for instance, in case we stop the search during a
1638 /// fail high at root. We try hard to have a ponder move to return to the GUI,
1639 /// otherwise in case of 'ponder on' we have nothing to think on.
1640
1641 bool RootMove::extract_ponder_from_tt(Position& pos)
1642 {
1643     StateInfo st;
1644     bool ttHit;
1645
1646     assert(pv.size() == 1);
1647
1648     pos.do_move(pv[0], st, pos.gives_check(pv[0], CheckInfo(pos)));
1649     TTEntry* tte = TT.probe(pos.key(), ttHit);
1650     pos.undo_move(pv[0]);
1651
1652     if (ttHit)
1653     {
1654         Move m = tte->move(); // Local copy to be SMP safe
1655         if (MoveList<LEGAL>(pos).contains(m))
1656            return pv.push_back(m), true;
1657     }
1658
1659     return false;
1660 }