Introduce coordination between searching threads (#2204)
[stockfish] / src / search.cpp
1 /*
2   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
3   Copyright (C) 2004-2008 Tord Romstad (Glaurung author)
4   Copyright (C) 2008-2015 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5   Copyright (C) 2015-2019 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
6
7   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
10   (at your option) any later version.
11
12   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15   GNU General Public License for more details.
16
17   You should have received a copy of the GNU General Public License
18   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19 */
20
21 #include <algorithm>
22 #include <cassert>
23 #include <cmath>
24 #include <cstring>   // For std::memset
25 #include <iostream>
26 #include <sstream>
27
28 #include "evaluate.h"
29 #include "misc.h"
30 #include "movegen.h"
31 #include "movepick.h"
32 #include "position.h"
33 #include "search.h"
34 #include "thread.h"
35 #include "timeman.h"
36 #include "tt.h"
37 #include "uci.h"
38 #include "syzygy/tbprobe.h"
39
40 namespace Search {
41
42   LimitsType Limits;
43 }
44
45 namespace Tablebases {
46
47   int Cardinality;
48   bool RootInTB;
49   bool UseRule50;
50   Depth ProbeDepth;
51 }
52
53 namespace TB = Tablebases;
54
55 using std::string;
56 using Eval::evaluate;
57 using namespace Search;
58
59 namespace {
60
61   // Different node types, used as a template parameter
62   enum NodeType { NonPV, PV };
63
64   // Razor and futility margins
65   constexpr int RazorMargin = 600;
66   Value futility_margin(Depth d, bool improving) {
67     return Value((175 - 50 * improving) * d / ONE_PLY);
68   }
69
70   // Reductions lookup table, initialized at startup
71   int Reductions[MAX_MOVES]; // [depth or moveNumber]
72
73   Depth reduction(bool i, Depth d, int mn) {
74     int r = Reductions[d / ONE_PLY] * Reductions[mn];
75     return ((r + 512) / 1024 + (!i && r > 1024)) * ONE_PLY;
76   }
77
78   constexpr int futility_move_count(bool improving, int depth) {
79     return (5 + depth * depth) * (1 + improving) / 2;
80   }
81
82   // History and stats update bonus, based on depth
83   int stat_bonus(Depth depth) {
84     int d = depth / ONE_PLY;
85     return d > 17 ? 0 : 29 * d * d + 138 * d - 134;
86   }
87
88   // Add a small random component to draw evaluations to avoid 3fold-blindness
89   Value value_draw(Depth depth, Thread* thisThread) {
90     return depth < 4 * ONE_PLY ? VALUE_DRAW
91                                : VALUE_DRAW + Value(2 * (thisThread->nodes & 1) - 1);
92   }
93
94   // Skill structure is used to implement strength limit
95   struct Skill {
96     explicit Skill(int l) : level(l) {}
97     bool enabled() const { return level < 20; }
98     bool time_to_pick(Depth depth) const { return depth / ONE_PLY == 1 + level; }
99     Move pick_best(size_t multiPV);
100
101     int level;
102     Move best = MOVE_NONE;
103   };
104
105   // Breadcrumbs are used to mark nodes as being searched by a given thread.
106   struct Breadcrumb {
107     std::atomic<Thread*> thread;
108     std::atomic<Key> key;
109   };
110   std::array<Breadcrumb, 1024> breadcrumbs;
111
112   // ThreadHolding keeps track of which thread left breadcrumbs at the given node for potential reductions.
113   // A free node will be marked upon entering the moves loop, and unmarked upon leaving that loop, by the ctor/dtor of this struct.
114   struct ThreadHolding {
115     explicit ThreadHolding(Thread* thisThread, Key posKey, int ply) {
116        location = ply < 8 ? &breadcrumbs[posKey & (breadcrumbs.size() - 1)] : nullptr;
117        otherThread = false;
118        owning = false;
119        if (location)
120        {
121           // see if another already marked this location, if not, mark it ourselves.
122           Thread* tmp = (*location).thread.load(std::memory_order_relaxed);
123           if (tmp == nullptr)
124           {
125               (*location).thread.store(thisThread, std::memory_order_relaxed);
126               (*location).key.store(posKey, std::memory_order_relaxed);
127               owning = true;
128           }
129           else if (   tmp != thisThread
130                    && (*location).key.load(std::memory_order_relaxed) == posKey)
131               otherThread = true;
132        }
133     }
134
135     ~ThreadHolding() {
136        if (owning) // free the marked location.
137            (*location).thread.store(nullptr, std::memory_order_relaxed);
138     }
139
140     bool marked() { return otherThread; }
141
142     private:
143     Breadcrumb* location;
144     bool otherThread, owning;
145   };
146
147   template <NodeType NT>
148   Value search(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth, bool cutNode);
149
150   template <NodeType NT>
151   Value qsearch(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth = DEPTH_ZERO);
152
153   Value value_to_tt(Value v, int ply);
154   Value value_from_tt(Value v, int ply);
155   void update_pv(Move* pv, Move move, Move* childPv);
156   void update_continuation_histories(Stack* ss, Piece pc, Square to, int bonus);
157   void update_quiet_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move move, Move* quiets, int quietCount, int bonus);
158   void update_capture_stats(const Position& pos, Move move, Move* captures, int captureCount, int bonus);
159
160   // perft() is our utility to verify move generation. All the leaf nodes up
161   // to the given depth are generated and counted, and the sum is returned.
162   template<bool Root>
163   uint64_t perft(Position& pos, Depth depth) {
164
165     StateInfo st;
166     uint64_t cnt, nodes = 0;
167     const bool leaf = (depth == 2 * ONE_PLY);
168
169     for (const auto& m : MoveList<LEGAL>(pos))
170     {
171         if (Root && depth <= ONE_PLY)
172             cnt = 1, nodes++;
173         else
174         {
175             pos.do_move(m, st);
176             cnt = leaf ? MoveList<LEGAL>(pos).size() : perft<false>(pos, depth - ONE_PLY);
177             nodes += cnt;
178             pos.undo_move(m);
179         }
180         if (Root)
181             sync_cout << UCI::move(m, pos.is_chess960()) << ": " << cnt << sync_endl;
182     }
183     return nodes;
184   }
185
186 } // namespace
187
188
189 /// Search::init() is called at startup to initialize various lookup tables
190
191 void Search::init() {
192
193   for (int i = 1; i < MAX_MOVES; ++i)
194       Reductions[i] = int(22.9 * std::log(i));
195 }
196
197
198 /// Search::clear() resets search state to its initial value
199
200 void Search::clear() {
201
202   Threads.main()->wait_for_search_finished();
203
204   Time.availableNodes = 0;
205   TT.clear();
206   Threads.clear();
207   Tablebases::init(Options["SyzygyPath"]); // Free mapped files
208 }
209
210
211 /// MainThread::search() is started when the program receives the UCI 'go'
212 /// command. It searches from the root position and outputs the "bestmove".
213
214 void MainThread::search() {
215
216   if (Limits.perft)
217   {
218       nodes = perft<true>(rootPos, Limits.perft * ONE_PLY);
219       sync_cout << "\nNodes searched: " << nodes << "\n" << sync_endl;
220       return;
221   }
222
223   Color us = rootPos.side_to_move();
224   Time.init(Limits, us, rootPos.game_ply());
225   TT.new_search();
226
227   if (rootMoves.empty())
228   {
229       rootMoves.emplace_back(MOVE_NONE);
230       sync_cout << "info depth 0 score "
231                 << UCI::value(rootPos.checkers() ? -VALUE_MATE : VALUE_DRAW)
232                 << sync_endl;
233   }
234   else
235   {
236       for (Thread* th : Threads)
237       {
238           th->bestMoveChanges = 0;
239           if (th != this)
240               th->start_searching();
241       }
242
243       Thread::search(); // Let's start searching!
244   }
245
246   // When we reach the maximum depth, we can arrive here without a raise of
247   // Threads.stop. However, if we are pondering or in an infinite search,
248   // the UCI protocol states that we shouldn't print the best move before the
249   // GUI sends a "stop" or "ponderhit" command. We therefore simply wait here
250   // until the GUI sends one of those commands.
251
252   while (!Threads.stop && (ponder || Limits.infinite))
253   {} // Busy wait for a stop or a ponder reset
254
255   // Stop the threads if not already stopped (also raise the stop if
256   // "ponderhit" just reset Threads.ponder).
257   Threads.stop = true;
258
259   // Wait until all threads have finished
260   for (Thread* th : Threads)
261       if (th != this)
262           th->wait_for_search_finished();
263
264   // When playing in 'nodes as time' mode, subtract the searched nodes from
265   // the available ones before exiting.
266   if (Limits.npmsec)
267       Time.availableNodes += Limits.inc[us] - Threads.nodes_searched();
268
269   Thread* bestThread = this;
270
271   // Check if there are threads with a better score than main thread
272   if (    Options["MultiPV"] == 1
273       && !Limits.depth
274       && !Skill(Options["Skill Level"]).enabled()
275       &&  rootMoves[0].pv[0] != MOVE_NONE)
276   {
277       std::map<Move, int64_t> votes;
278       Value minScore = this->rootMoves[0].score;
279
280       // Find out minimum score and reset votes for moves which can be voted
281       for (Thread* th: Threads)
282           minScore = std::min(minScore, th->rootMoves[0].score);
283
284       // Vote according to score and depth, and select the best thread
285       for (Thread* th : Threads)
286       {
287           votes[th->rootMoves[0].pv[0]] +=
288               (th->rootMoves[0].score - minScore + 14) * int(th->completedDepth);
289
290           if (votes[th->rootMoves[0].pv[0]] > votes[bestThread->rootMoves[0].pv[0]])
291               bestThread = th;
292       }
293   }
294
295   previousScore = bestThread->rootMoves[0].score;
296
297   // Send again PV info if we have a new best thread
298   if (bestThread != this)
299       sync_cout << UCI::pv(bestThread->rootPos, bestThread->completedDepth, -VALUE_INFINITE, VALUE_INFINITE) << sync_endl;
300
301   sync_cout << "bestmove " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[0], rootPos.is_chess960());
302
303   if (bestThread->rootMoves[0].pv.size() > 1 || bestThread->rootMoves[0].extract_ponder_from_tt(rootPos))
304       std::cout << " ponder " << UCI::move(bestThread->rootMoves[0].pv[1], rootPos.is_chess960());
305
306   std::cout << sync_endl;
307 }
308
309
310 /// Thread::search() is the main iterative deepening loop. It calls search()
311 /// repeatedly with increasing depth until the allocated thinking time has been
312 /// consumed, the user stops the search, or the maximum search depth is reached.
313
314 void Thread::search() {
315
316   // To allow access to (ss-7) up to (ss+2), the stack must be oversized.
317   // The former is needed to allow update_continuation_histories(ss-1, ...),
318   // which accesses its argument at ss-6, also near the root.
319   // The latter is needed for statScores and killer initialization.
320   Stack stack[MAX_PLY+10], *ss = stack+7;
321   Move  pv[MAX_PLY+1];
322   Value bestValue, alpha, beta, delta;
323   Move  lastBestMove = MOVE_NONE;
324   Depth lastBestMoveDepth = DEPTH_ZERO;
325   MainThread* mainThread = (this == Threads.main() ? Threads.main() : nullptr);
326   double timeReduction = 1, totBestMoveChanges = 0;
327   Color us = rootPos.side_to_move();
328
329   std::memset(ss-7, 0, 10 * sizeof(Stack));
330   for (int i = 7; i > 0; i--)
331      (ss-i)->continuationHistory = &this->continuationHistory[NO_PIECE][0]; // Use as sentinel
332   ss->pv = pv;
333
334   bestValue = delta = alpha = -VALUE_INFINITE;
335   beta = VALUE_INFINITE;
336
337   multiPV = Options["MultiPV"];
338   Skill skill(Options["Skill Level"]);
339
340   // When playing with strength handicap enable MultiPV search that we will
341   // use behind the scenes to retrieve a set of possible moves.
342   if (skill.enabled())
343       multiPV = std::max(multiPV, (size_t)4);
344
345   multiPV = std::min(multiPV, rootMoves.size());
346
347   int ct = int(Options["Contempt"]) * PawnValueEg / 100; // From centipawns
348
349   // In analysis mode, adjust contempt in accordance with user preference
350   if (Limits.infinite || Options["UCI_AnalyseMode"])
351       ct =  Options["Analysis Contempt"] == "Off"  ? 0
352           : Options["Analysis Contempt"] == "Both" ? ct
353           : Options["Analysis Contempt"] == "White" && us == BLACK ? -ct
354           : Options["Analysis Contempt"] == "Black" && us == WHITE ? -ct
355           : ct;
356
357   // Evaluation score is from the white point of view
358   contempt = (us == WHITE ?  make_score(ct, ct / 2)
359                           : -make_score(ct, ct / 2));
360
361   // Iterative deepening loop until requested to stop or the target depth is reached
362   while (   (rootDepth += ONE_PLY) < DEPTH_MAX
363          && !Threads.stop
364          && !(Limits.depth && mainThread && rootDepth / ONE_PLY > Limits.depth))
365   {
366       // Age out PV variability metric
367       if (mainThread)
368           totBestMoveChanges /= 2;
369
370       // Save the last iteration's scores before first PV line is searched and
371       // all the move scores except the (new) PV are set to -VALUE_INFINITE.
372       for (RootMove& rm : rootMoves)
373           rm.previousScore = rm.score;
374
375       size_t pvFirst = 0;
376       pvLast = 0;
377
378       // MultiPV loop. We perform a full root search for each PV line
379       for (pvIdx = 0; pvIdx < multiPV && !Threads.stop; ++pvIdx)
380       {
381           if (pvIdx == pvLast)
382           {
383               pvFirst = pvLast;
384               for (pvLast++; pvLast < rootMoves.size(); pvLast++)
385                   if (rootMoves[pvLast].tbRank != rootMoves[pvFirst].tbRank)
386                       break;
387           }
388
389           // Reset UCI info selDepth for each depth and each PV line
390           selDepth = 0;
391
392           // Reset aspiration window starting size
393           if (rootDepth >= 5 * ONE_PLY)
394           {
395               Value previousScore = rootMoves[pvIdx].previousScore;
396               delta = Value(20);
397               alpha = std::max(previousScore - delta,-VALUE_INFINITE);
398               beta  = std::min(previousScore + delta, VALUE_INFINITE);
399
400               // Adjust contempt based on root move's previousScore (dynamic contempt)
401               int dct = ct + 88 * previousScore / (abs(previousScore) + 200);
402
403               contempt = (us == WHITE ?  make_score(dct, dct / 2)
404                                       : -make_score(dct, dct / 2));
405           }
406
407           // Start with a small aspiration window and, in the case of a fail
408           // high/low, re-search with a bigger window until we don't fail
409           // high/low anymore.
410           int failedHighCnt = 0;
411           while (true)
412           {
413               Depth adjustedDepth = std::max(ONE_PLY, rootDepth - failedHighCnt * ONE_PLY);
414               bestValue = ::search<PV>(rootPos, ss, alpha, beta, adjustedDepth, false);
415
416               // Bring the best move to the front. It is critical that sorting
417               // is done with a stable algorithm because all the values but the
418               // first and eventually the new best one are set to -VALUE_INFINITE
419               // and we want to keep the same order for all the moves except the
420               // new PV that goes to the front. Note that in case of MultiPV
421               // search the already searched PV lines are preserved.
422               std::stable_sort(rootMoves.begin() + pvIdx, rootMoves.begin() + pvLast);
423
424               // If search has been stopped, we break immediately. Sorting is
425               // safe because RootMoves is still valid, although it refers to
426               // the previous iteration.
427               if (Threads.stop)
428                   break;
429
430               // When failing high/low give some update (without cluttering
431               // the UI) before a re-search.
432               if (   mainThread
433                   && multiPV == 1
434                   && (bestValue <= alpha || bestValue >= beta)
435                   && Time.elapsed() > 3000)
436                   sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
437
438               // In case of failing low/high increase aspiration window and
439               // re-search, otherwise exit the loop.
440               if (bestValue <= alpha)
441               {
442                   beta = (alpha + beta) / 2;
443                   alpha = std::max(bestValue - delta, -VALUE_INFINITE);
444
445                   failedHighCnt = 0;
446                   if (mainThread)
447                       mainThread->stopOnPonderhit = false;
448               }
449               else if (bestValue >= beta)
450               {
451                   beta = std::min(bestValue + delta, VALUE_INFINITE);
452                   ++failedHighCnt;
453               }
454               else
455                   break;
456
457               delta += delta / 4 + 5;
458
459               assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && beta <= VALUE_INFINITE);
460           }
461
462           // Sort the PV lines searched so far and update the GUI
463           std::stable_sort(rootMoves.begin() + pvFirst, rootMoves.begin() + pvIdx + 1);
464
465           if (    mainThread
466               && (Threads.stop || pvIdx + 1 == multiPV || Time.elapsed() > 3000))
467               sync_cout << UCI::pv(rootPos, rootDepth, alpha, beta) << sync_endl;
468       }
469
470       if (!Threads.stop)
471           completedDepth = rootDepth;
472
473       if (rootMoves[0].pv[0] != lastBestMove) {
474          lastBestMove = rootMoves[0].pv[0];
475          lastBestMoveDepth = rootDepth;
476       }
477
478       // Have we found a "mate in x"?
479       if (   Limits.mate
480           && bestValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY
481           && VALUE_MATE - bestValue <= 2 * Limits.mate)
482           Threads.stop = true;
483
484       if (!mainThread)
485           continue;
486
487       // If skill level is enabled and time is up, pick a sub-optimal best move
488       if (skill.enabled() && skill.time_to_pick(rootDepth))
489           skill.pick_best(multiPV);
490
491       // Do we have time for the next iteration? Can we stop searching now?
492       if (    Limits.use_time_management()
493           && !Threads.stop
494           && !mainThread->stopOnPonderhit)
495       {
496           double fallingEval = (314 + 9 * (mainThread->previousScore - bestValue)) / 581.0;
497           fallingEval = clamp(fallingEval, 0.5, 1.5);
498
499           // If the bestMove is stable over several iterations, reduce time accordingly
500           timeReduction = lastBestMoveDepth + 10 * ONE_PLY < completedDepth ? 1.95 : 1.0;
501           double reduction = std::pow(mainThread->previousTimeReduction, 0.528) / timeReduction;
502
503           // Use part of the gained time from a previous stable move for the current move
504           for (Thread* th : Threads)
505           {
506               totBestMoveChanges += th->bestMoveChanges;
507               th->bestMoveChanges = 0;
508           }
509           double bestMoveInstability = 1 + totBestMoveChanges / Threads.size();
510
511           // Stop the search if we have only one legal move, or if available time elapsed
512           if (   rootMoves.size() == 1
513               || Time.elapsed() > Time.optimum() * fallingEval * reduction * bestMoveInstability)
514           {
515               // If we are allowed to ponder do not stop the search now but
516               // keep pondering until the GUI sends "ponderhit" or "stop".
517               if (mainThread->ponder)
518                   mainThread->stopOnPonderhit = true;
519               else
520                   Threads.stop = true;
521           }
522       }
523   }
524
525   if (!mainThread)
526       return;
527
528   mainThread->previousTimeReduction = timeReduction;
529
530   // If skill level is enabled, swap best PV line with the sub-optimal one
531   if (skill.enabled())
532       std::swap(rootMoves[0], *std::find(rootMoves.begin(), rootMoves.end(),
533                 skill.best ? skill.best : skill.pick_best(multiPV)));
534 }
535
536
537 namespace {
538
539   // search<>() is the main search function for both PV and non-PV nodes
540
541   template <NodeType NT>
542   Value search(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth, bool cutNode) {
543
544     constexpr bool PvNode = NT == PV;
545     const bool rootNode = PvNode && ss->ply == 0;
546
547     // Check if we have an upcoming move which draws by repetition, or
548     // if the opponent had an alternative move earlier to this position.
549     if (   pos.rule50_count() >= 3
550         && alpha < VALUE_DRAW
551         && !rootNode
552         && pos.has_game_cycle(ss->ply))
553     {
554         alpha = value_draw(depth, pos.this_thread());
555         if (alpha >= beta)
556             return alpha;
557     }
558
559     // Dive into quiescence search when the depth reaches zero
560     if (depth < ONE_PLY)
561         return qsearch<NT>(pos, ss, alpha, beta);
562
563     assert(-VALUE_INFINITE <= alpha && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
564     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
565     assert(DEPTH_ZERO < depth && depth < DEPTH_MAX);
566     assert(!(PvNode && cutNode));
567     assert(depth / ONE_PLY * ONE_PLY == depth);
568
569     Move pv[MAX_PLY+1], capturesSearched[32], quietsSearched[64];
570     StateInfo st;
571     TTEntry* tte;
572     Key posKey;
573     Move ttMove, move, excludedMove, bestMove;
574     Depth extension, newDepth;
575     Value bestValue, value, ttValue, eval, maxValue;
576     bool ttHit, ttPv, inCheck, givesCheck, improving;
577     bool captureOrPromotion, doFullDepthSearch, moveCountPruning, ttCapture;
578     Piece movedPiece;
579     int moveCount, captureCount, quietCount, singularLMR;
580
581     // Step 1. Initialize node
582     Thread* thisThread = pos.this_thread();
583     inCheck = pos.checkers();
584     Color us = pos.side_to_move();
585     moveCount = captureCount = quietCount = singularLMR = ss->moveCount = 0;
586     bestValue = -VALUE_INFINITE;
587     maxValue = VALUE_INFINITE;
588
589     // Check for the available remaining time
590     if (thisThread == Threads.main())
591         static_cast<MainThread*>(thisThread)->check_time();
592
593     // Used to send selDepth info to GUI (selDepth counts from 1, ply from 0)
594     if (PvNode && thisThread->selDepth < ss->ply + 1)
595         thisThread->selDepth = ss->ply + 1;
596
597     if (!rootNode)
598     {
599         // Step 2. Check for aborted search and immediate draw
600         if (   Threads.stop.load(std::memory_order_relaxed)
601             || pos.is_draw(ss->ply)
602             || ss->ply >= MAX_PLY)
603             return (ss->ply >= MAX_PLY && !inCheck) ? evaluate(pos)
604                                                     : value_draw(depth, pos.this_thread());
605
606         // Step 3. Mate distance pruning. Even if we mate at the next move our score
607         // would be at best mate_in(ss->ply+1), but if alpha is already bigger because
608         // a shorter mate was found upward in the tree then there is no need to search
609         // because we will never beat the current alpha. Same logic but with reversed
610         // signs applies also in the opposite condition of being mated instead of giving
611         // mate. In this case return a fail-high score.
612         alpha = std::max(mated_in(ss->ply), alpha);
613         beta = std::min(mate_in(ss->ply+1), beta);
614         if (alpha >= beta)
615             return alpha;
616     }
617
618     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
619
620     (ss+1)->ply = ss->ply + 1;
621     (ss+1)->excludedMove = bestMove = MOVE_NONE;
622     (ss+2)->killers[0] = (ss+2)->killers[1] = MOVE_NONE;
623     Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
624
625     // Initialize statScore to zero for the grandchildren of the current position.
626     // So statScore is shared between all grandchildren and only the first grandchild
627     // starts with statScore = 0. Later grandchildren start with the last calculated
628     // statScore of the previous grandchild. This influences the reduction rules in
629     // LMR which are based on the statScore of parent position.
630     if (rootNode)
631         (ss + 4)->statScore = 0;
632     else
633         (ss + 2)->statScore = 0;
634
635     // Step 4. Transposition table lookup. We don't want the score of a partial
636     // search to overwrite a previous full search TT value, so we use a different
637     // position key in case of an excluded move.
638     excludedMove = ss->excludedMove;
639     posKey = pos.key() ^ Key(excludedMove << 16); // Isn't a very good hash
640     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
641     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
642     ttMove =  rootNode ? thisThread->rootMoves[thisThread->pvIdx].pv[0]
643             : ttHit    ? tte->move() : MOVE_NONE;
644     ttPv = PvNode || (ttHit && tte->is_pv());
645
646     // At non-PV nodes we check for an early TT cutoff
647     if (  !PvNode
648         && ttHit
649         && tte->depth() >= depth
650         && ttValue != VALUE_NONE // Possible in case of TT access race
651         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() & BOUND_LOWER)
652                             : (tte->bound() & BOUND_UPPER)))
653     {
654         // If ttMove is quiet, update move sorting heuristics on TT hit
655         if (ttMove)
656         {
657             if (ttValue >= beta)
658             {
659                 if (!pos.capture_or_promotion(ttMove))
660                     update_quiet_stats(pos, ss, ttMove, nullptr, 0, stat_bonus(depth));
661
662                 // Extra penalty for early quiet moves of the previous ply
663                 if ((ss-1)->moveCount <= 2 && !pos.captured_piece())
664                         update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, -stat_bonus(depth + ONE_PLY));
665             }
666             // Penalty for a quiet ttMove that fails low
667             else if (!pos.capture_or_promotion(ttMove))
668             {
669                 int penalty = -stat_bonus(depth);
670                 thisThread->mainHistory[us][from_to(ttMove)] << penalty;
671                 update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(ttMove), to_sq(ttMove), penalty);
672             }
673         }
674         return ttValue;
675     }
676
677     // Step 5. Tablebases probe
678     if (!rootNode && TB::Cardinality)
679     {
680         int piecesCount = pos.count<ALL_PIECES>();
681
682         if (    piecesCount <= TB::Cardinality
683             && (piecesCount <  TB::Cardinality || depth >= TB::ProbeDepth)
684             &&  pos.rule50_count() == 0
685             && !pos.can_castle(ANY_CASTLING))
686         {
687             TB::ProbeState err;
688             TB::WDLScore wdl = Tablebases::probe_wdl(pos, &err);
689
690             // Force check of time on the next occasion
691             if (thisThread == Threads.main())
692                 static_cast<MainThread*>(thisThread)->callsCnt = 0;
693
694             if (err != TB::ProbeState::FAIL)
695             {
696                 thisThread->tbHits.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
697
698                 int drawScore = TB::UseRule50 ? 1 : 0;
699
700                 value =  wdl < -drawScore ? -VALUE_MATE + MAX_PLY + ss->ply + 1
701                        : wdl >  drawScore ?  VALUE_MATE - MAX_PLY - ss->ply - 1
702                                           :  VALUE_DRAW + 2 * wdl * drawScore;
703
704                 Bound b =  wdl < -drawScore ? BOUND_UPPER
705                          : wdl >  drawScore ? BOUND_LOWER : BOUND_EXACT;
706
707                 if (    b == BOUND_EXACT
708                     || (b == BOUND_LOWER ? value >= beta : value <= alpha))
709                 {
710                     tte->save(posKey, value_to_tt(value, ss->ply), ttPv, b,
711                               std::min(DEPTH_MAX - ONE_PLY, depth + 6 * ONE_PLY),
712                               MOVE_NONE, VALUE_NONE);
713
714                     return value;
715                 }
716
717                 if (PvNode)
718                 {
719                     if (b == BOUND_LOWER)
720                         bestValue = value, alpha = std::max(alpha, bestValue);
721                     else
722                         maxValue = value;
723                 }
724             }
725         }
726     }
727
728     // Step 6. Static evaluation of the position
729     if (inCheck)
730     {
731         ss->staticEval = eval = VALUE_NONE;
732         improving = false;
733         goto moves_loop;  // Skip early pruning when in check
734     }
735     else if (ttHit)
736     {
737         // Never assume anything on values stored in TT
738         ss->staticEval = eval = tte->eval();
739         if (eval == VALUE_NONE)
740             ss->staticEval = eval = evaluate(pos);
741
742         // Can ttValue be used as a better position evaluation?
743         if (    ttValue != VALUE_NONE
744             && (tte->bound() & (ttValue > eval ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER)))
745             eval = ttValue;
746     }
747     else
748     {
749         if ((ss-1)->currentMove != MOVE_NULL)
750         {
751             int bonus = -(ss-1)->statScore / 512;
752
753             ss->staticEval = eval = evaluate(pos) + bonus;
754         }
755         else
756             ss->staticEval = eval = -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
757
758         tte->save(posKey, VALUE_NONE, ttPv, BOUND_NONE, DEPTH_NONE, MOVE_NONE, eval);
759     }
760
761     // Step 7. Razoring (~2 Elo)
762     if (   !rootNode // The required rootNode PV handling is not available in qsearch
763         &&  depth < 2 * ONE_PLY
764         &&  eval <= alpha - RazorMargin)
765         return qsearch<NT>(pos, ss, alpha, beta);
766
767     improving =   ss->staticEval >= (ss-2)->staticEval
768                || (ss-2)->staticEval == VALUE_NONE;
769
770     // Step 8. Futility pruning: child node (~30 Elo)
771     if (   !PvNode
772         &&  depth < 7 * ONE_PLY
773         &&  eval - futility_margin(depth, improving) >= beta
774         &&  eval < VALUE_KNOWN_WIN) // Do not return unproven wins
775         return eval;
776
777     // Step 9. Null move search with verification search (~40 Elo)
778     if (   !PvNode
779         && (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL
780         && (ss-1)->statScore < 23200
781         &&  eval >= beta
782         &&  ss->staticEval >= beta - 36 * depth / ONE_PLY + 225
783         && !excludedMove
784         &&  pos.non_pawn_material(us)
785         && (ss->ply >= thisThread->nmpMinPly || us != thisThread->nmpColor))
786     {
787         assert(eval - beta >= 0);
788
789         // Null move dynamic reduction based on depth and value
790         Depth R = ((823 + 67 * depth / ONE_PLY) / 256 + std::min(int(eval - beta) / 200, 3)) * ONE_PLY;
791
792         ss->currentMove = MOVE_NULL;
793         ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[NO_PIECE][0];
794
795         pos.do_null_move(st);
796
797         Value nullValue = -search<NonPV>(pos, ss+1, -beta, -beta+1, depth-R, !cutNode);
798
799         pos.undo_null_move();
800
801         if (nullValue >= beta)
802         {
803             // Do not return unproven mate scores
804             if (nullValue >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
805                 nullValue = beta;
806
807             if (thisThread->nmpMinPly || (abs(beta) < VALUE_KNOWN_WIN && depth < 12 * ONE_PLY))
808                 return nullValue;
809
810             assert(!thisThread->nmpMinPly); // Recursive verification is not allowed
811
812             // Do verification search at high depths, with null move pruning disabled
813             // for us, until ply exceeds nmpMinPly.
814             thisThread->nmpMinPly = ss->ply + 3 * (depth-R) / (4 * ONE_PLY);
815             thisThread->nmpColor = us;
816
817             Value v = search<NonPV>(pos, ss, beta-1, beta, depth-R, false);
818
819             thisThread->nmpMinPly = 0;
820
821             if (v >= beta)
822                 return nullValue;
823         }
824     }
825
826     // Step 10. ProbCut (~10 Elo)
827     // If we have a good enough capture and a reduced search returns a value
828     // much above beta, we can (almost) safely prune the previous move.
829     if (   !PvNode
830         &&  depth >= 5 * ONE_PLY
831         &&  abs(beta) < VALUE_MATE_IN_MAX_PLY)
832     {
833         Value raisedBeta = std::min(beta + 216 - 48 * improving, VALUE_INFINITE);
834         MovePicker mp(pos, ttMove, raisedBeta - ss->staticEval, &thisThread->captureHistory);
835         int probCutCount = 0;
836
837         while (  (move = mp.next_move()) != MOVE_NONE
838                && probCutCount < 2 + 2 * cutNode)
839             if (move != excludedMove && pos.legal(move))
840             {
841                 probCutCount++;
842
843                 ss->currentMove = move;
844                 ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[pos.moved_piece(move)][to_sq(move)];
845
846                 assert(depth >= 5 * ONE_PLY);
847
848                 pos.do_move(move, st);
849
850                 // Perform a preliminary qsearch to verify that the move holds
851                 value = -qsearch<NonPV>(pos, ss+1, -raisedBeta, -raisedBeta+1);
852
853                 // If the qsearch held, perform the regular search
854                 if (value >= raisedBeta)
855                     value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -raisedBeta, -raisedBeta+1, depth - 4 * ONE_PLY, !cutNode);
856
857                 pos.undo_move(move);
858
859                 if (value >= raisedBeta)
860                     return value;
861             }
862     }
863
864     // Step 11. Internal iterative deepening (~2 Elo)
865     if (depth >= 8 * ONE_PLY && !ttMove)
866     {
867         search<NT>(pos, ss, alpha, beta, depth - 7 * ONE_PLY, cutNode);
868
869         tte = TT.probe(posKey, ttHit);
870         ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
871         ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
872     }
873
874 moves_loop: // When in check, search starts from here
875
876     const PieceToHistory* contHist[] = { (ss-1)->continuationHistory, (ss-2)->continuationHistory,
877                                           nullptr, (ss-4)->continuationHistory,
878                                           nullptr, (ss-6)->continuationHistory };
879
880     Move countermove = thisThread->counterMoves[pos.piece_on(prevSq)][prevSq];
881
882     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, &thisThread->mainHistory,
883                                       &thisThread->captureHistory,
884                                       contHist,
885                                       countermove,
886                                       ss->killers);
887
888     value = bestValue; // Workaround a bogus 'uninitialized' warning under gcc
889     moveCountPruning = false;
890     ttCapture = ttMove && pos.capture_or_promotion(ttMove);
891
892     // Mark this node as being searched.
893     ThreadHolding th(thisThread, posKey, ss->ply);
894
895     // Step 12. Loop through all pseudo-legal moves until no moves remain
896     // or a beta cutoff occurs.
897     while ((move = mp.next_move(moveCountPruning)) != MOVE_NONE)
898     {
899       assert(is_ok(move));
900
901       if (move == excludedMove)
902           continue;
903
904       // At root obey the "searchmoves" option and skip moves not listed in Root
905       // Move List. As a consequence any illegal move is also skipped. In MultiPV
906       // mode we also skip PV moves which have been already searched and those
907       // of lower "TB rank" if we are in a TB root position.
908       if (rootNode && !std::count(thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvIdx,
909                                   thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvLast, move))
910           continue;
911
912       ss->moveCount = ++moveCount;
913
914       if (rootNode && thisThread == Threads.main() && Time.elapsed() > 3000)
915           sync_cout << "info depth " << depth / ONE_PLY
916                     << " currmove " << UCI::move(move, pos.is_chess960())
917                     << " currmovenumber " << moveCount + thisThread->pvIdx << sync_endl;
918
919       // In MultiPV mode also skip moves which will be searched later as PV moves
920       if (rootNode && std::count(thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->pvIdx + 1,
921                                  thisThread->rootMoves.begin() + thisThread->multiPV, move))
922           continue;
923
924       if (PvNode)
925           (ss+1)->pv = nullptr;
926
927       extension = DEPTH_ZERO;
928       captureOrPromotion = pos.capture_or_promotion(move);
929       movedPiece = pos.moved_piece(move);
930       givesCheck = pos.gives_check(move);
931
932       // Step 13. Extensions (~70 Elo)
933
934       // Singular extension search (~60 Elo). If all moves but one fail low on a
935       // search of (alpha-s, beta-s), and just one fails high on (alpha, beta),
936       // then that move is singular and should be extended. To verify this we do
937       // a reduced search on all the other moves but the ttMove and if the
938       // result is lower than ttValue minus a margin then we will extend the ttMove.
939       if (    depth >= 8 * ONE_PLY
940           &&  move == ttMove
941           && !rootNode
942           && !excludedMove // Avoid recursive singular search
943        /* &&  ttValue != VALUE_NONE Already implicit in the next condition */
944           &&  abs(ttValue) < VALUE_KNOWN_WIN
945           && (tte->bound() & BOUND_LOWER)
946           &&  tte->depth() >= depth - 3 * ONE_PLY
947           &&  pos.legal(move))
948       {
949           Value singularBeta = ttValue - 2 * depth / ONE_PLY;
950           Depth halfDepth = depth / (2 * ONE_PLY) * ONE_PLY; // ONE_PLY invariant
951           ss->excludedMove = move;
952           value = search<NonPV>(pos, ss, singularBeta - 1, singularBeta, halfDepth, cutNode);
953           ss->excludedMove = MOVE_NONE;
954
955           if (value < singularBeta)
956           {
957               extension = ONE_PLY;
958               singularLMR++;
959
960               if (value < singularBeta - std::min(3 * depth / ONE_PLY, 39))
961                   singularLMR++;
962           }
963
964           // Multi-cut pruning
965           // Our ttMove is assumed to fail high, and now we failed high also on a reduced
966           // search without the ttMove. So we assume this expected Cut-node is not singular,
967           // that multiple moves fail high, and we can prune the whole subtree by returning
968           // a soft bound.
969           else if (   eval >= beta
970                    && singularBeta >= beta)
971               return singularBeta;
972       }
973
974       // Check extension (~2 Elo)
975       else if (    givesCheck
976                && (pos.blockers_for_king(~us) & from_sq(move) || pos.see_ge(move)))
977           extension = ONE_PLY;
978
979       // Castling extension
980       else if (type_of(move) == CASTLING)
981           extension = ONE_PLY;
982
983       // Shuffle extension
984       else if (   PvNode
985                && pos.rule50_count() > 18
986                && depth < 3 * ONE_PLY
987                && ++thisThread->shuffleExts < thisThread->nodes.load(std::memory_order_relaxed) / 4)  // To avoid too many extensions
988           extension = ONE_PLY;
989
990       // Passed pawn extension
991       else if (   move == ss->killers[0]
992                && pos.advanced_pawn_push(move)
993                && pos.pawn_passed(us, to_sq(move)))
994           extension = ONE_PLY;
995
996       // Calculate new depth for this move
997       newDepth = depth - ONE_PLY + extension;
998
999       // Step 14. Pruning at shallow depth (~170 Elo)
1000       if (  !rootNode
1001           && pos.non_pawn_material(us)
1002           && bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY)
1003       {
1004           // Skip quiet moves if movecount exceeds our FutilityMoveCount threshold
1005           moveCountPruning = moveCount >= futility_move_count(improving, depth / ONE_PLY);
1006
1007           if (   !captureOrPromotion
1008               && !givesCheck
1009               && (!pos.advanced_pawn_push(move) || pos.non_pawn_material(~us) > BishopValueMg))
1010           {
1011               // Move count based pruning (~30 Elo)
1012               if (moveCountPruning)
1013                   continue;
1014
1015               // Reduced depth of the next LMR search
1016               int lmrDepth = std::max(newDepth - reduction(improving, depth, moveCount), DEPTH_ZERO);
1017               lmrDepth /= ONE_PLY;
1018
1019               // Countermoves based pruning (~20 Elo)
1020               if (   lmrDepth < 3 + ((ss-1)->statScore > 0 || (ss-1)->moveCount == 1)
1021                   && (*contHist[0])[movedPiece][to_sq(move)] < CounterMovePruneThreshold
1022                   && (*contHist[1])[movedPiece][to_sq(move)] < CounterMovePruneThreshold)
1023                   continue;
1024
1025               // Futility pruning: parent node (~2 Elo)
1026               if (   lmrDepth < 7
1027                   && !inCheck
1028                   && ss->staticEval + 256 + 200 * lmrDepth <= alpha)
1029                   continue;
1030
1031               // Prune moves with negative SEE (~10 Elo)
1032               if (!pos.see_ge(move, Value(-29 * lmrDepth * lmrDepth)))
1033                   continue;
1034           }
1035           else if ((!givesCheck || !extension)
1036                   && !pos.see_ge(move, -PawnValueEg * (depth / ONE_PLY))) // (~20 Elo)
1037                   continue;
1038       }
1039
1040       // Speculative prefetch as early as possible
1041       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
1042
1043       // Check for legality just before making the move
1044       if (!rootNode && !pos.legal(move))
1045       {
1046           ss->moveCount = --moveCount;
1047           continue;
1048       }
1049
1050       // Update the current move (this must be done after singular extension search)
1051       ss->currentMove = move;
1052       ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[movedPiece][to_sq(move)];
1053
1054       // Step 15. Make the move
1055       pos.do_move(move, st, givesCheck);
1056
1057       // Step 16. Reduced depth search (LMR). If the move fails high it will be
1058       // re-searched at full depth.
1059       if (    depth >= 3 * ONE_PLY
1060           &&  moveCount > 1 + 3 * rootNode
1061           && (  !captureOrPromotion
1062               || moveCountPruning
1063               || ss->staticEval + PieceValue[EG][pos.captured_piece()] <= alpha))
1064       {
1065           Depth r = reduction(improving, depth, moveCount);
1066
1067           // Reduction if other threads are searching this position.
1068           if (th.marked())
1069               r += ONE_PLY;
1070
1071           // Decrease reduction if position is or has been on the PV
1072           if (ttPv)
1073               r -= 2 * ONE_PLY;
1074
1075           // Decrease reduction if opponent's move count is high (~10 Elo)
1076           if ((ss-1)->moveCount > 15)
1077               r -= ONE_PLY;
1078
1079           // Decrease reduction if move has been singularly extended
1080           r -= singularLMR * ONE_PLY;
1081
1082           if (!captureOrPromotion)
1083           {
1084               // Increase reduction if ttMove is a capture (~0 Elo)
1085               if (ttCapture)
1086                   r += ONE_PLY;
1087
1088               // Increase reduction for cut nodes (~5 Elo)
1089               if (cutNode)
1090                   r += 2 * ONE_PLY;
1091
1092               // Decrease reduction for moves that escape a capture. Filter out
1093               // castling moves, because they are coded as "king captures rook" and
1094               // hence break make_move(). (~5 Elo)
1095               else if (    type_of(move) == NORMAL
1096                        && !pos.see_ge(make_move(to_sq(move), from_sq(move))))
1097                   r -= 2 * ONE_PLY;
1098
1099               ss->statScore =  thisThread->mainHistory[us][from_to(move)]
1100                              + (*contHist[0])[movedPiece][to_sq(move)]
1101                              + (*contHist[1])[movedPiece][to_sq(move)]
1102                              + (*contHist[3])[movedPiece][to_sq(move)]
1103                              - 4000;
1104
1105               // Decrease/increase reduction by comparing opponent's stat score (~10 Elo)
1106               if (ss->statScore >= 0 && (ss-1)->statScore < 0)
1107                   r -= ONE_PLY;
1108
1109               else if ((ss-1)->statScore >= 0 && ss->statScore < 0)
1110                   r += ONE_PLY;
1111
1112               // Decrease/increase reduction for moves with a good/bad history (~30 Elo)
1113               r -= ss->statScore / 20000 * ONE_PLY;
1114           }
1115
1116           Depth d = clamp(newDepth - r, ONE_PLY, newDepth);
1117
1118           value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, d, true);
1119
1120           doFullDepthSearch = (value > alpha && d != newDepth);
1121       }
1122       else
1123           doFullDepthSearch = !PvNode || moveCount > 1;
1124
1125       // Step 17. Full depth search when LMR is skipped or fails high
1126       if (doFullDepthSearch)
1127           value = -search<NonPV>(pos, ss+1, -(alpha+1), -alpha, newDepth, !cutNode);
1128
1129       // For PV nodes only, do a full PV search on the first move or after a fail
1130       // high (in the latter case search only if value < beta), otherwise let the
1131       // parent node fail low with value <= alpha and try another move.
1132       if (PvNode && (moveCount == 1 || (value > alpha && (rootNode || value < beta))))
1133       {
1134           (ss+1)->pv = pv;
1135           (ss+1)->pv[0] = MOVE_NONE;
1136
1137           value = -search<PV>(pos, ss+1, -beta, -alpha, newDepth, false);
1138       }
1139
1140       // Step 18. Undo move
1141       pos.undo_move(move);
1142
1143       assert(value > -VALUE_INFINITE && value < VALUE_INFINITE);
1144
1145       // Step 19. Check for a new best move
1146       // Finished searching the move. If a stop occurred, the return value of
1147       // the search cannot be trusted, and we return immediately without
1148       // updating best move, PV and TT.
1149       if (Threads.stop.load(std::memory_order_relaxed))
1150           return VALUE_ZERO;
1151
1152       if (rootNode)
1153       {
1154           RootMove& rm = *std::find(thisThread->rootMoves.begin(),
1155                                     thisThread->rootMoves.end(), move);
1156
1157           // PV move or new best move?
1158           if (moveCount == 1 || value > alpha)
1159           {
1160               rm.score = value;
1161               rm.selDepth = thisThread->selDepth;
1162               rm.pv.resize(1);
1163
1164               assert((ss+1)->pv);
1165
1166               for (Move* m = (ss+1)->pv; *m != MOVE_NONE; ++m)
1167                   rm.pv.push_back(*m);
1168
1169               // We record how often the best move has been changed in each
1170               // iteration. This information is used for time management: When
1171               // the best move changes frequently, we allocate some more time.
1172               if (moveCount > 1)
1173                   ++thisThread->bestMoveChanges;
1174           }
1175           else
1176               // All other moves but the PV are set to the lowest value: this
1177               // is not a problem when sorting because the sort is stable and the
1178               // move position in the list is preserved - just the PV is pushed up.
1179               rm.score = -VALUE_INFINITE;
1180       }
1181
1182       if (value > bestValue)
1183       {
1184           bestValue = value;
1185
1186           if (value > alpha)
1187           {
1188               bestMove = move;
1189
1190               if (PvNode && !rootNode) // Update pv even in fail-high case
1191                   update_pv(ss->pv, move, (ss+1)->pv);
1192
1193               if (PvNode && value < beta) // Update alpha! Always alpha < beta
1194                   alpha = value;
1195               else
1196               {
1197                   assert(value >= beta); // Fail high
1198                   ss->statScore = 0;
1199                   break;
1200               }
1201           }
1202       }
1203
1204       if (move != bestMove)
1205       {
1206           if (captureOrPromotion && captureCount < 32)
1207               capturesSearched[captureCount++] = move;
1208
1209           else if (!captureOrPromotion && quietCount < 64)
1210               quietsSearched[quietCount++] = move;
1211       }
1212     }
1213
1214     // The following condition would detect a stop only after move loop has been
1215     // completed. But in this case bestValue is valid because we have fully
1216     // searched our subtree, and we can anyhow save the result in TT.
1217     /*
1218        if (Threads.stop)
1219         return VALUE_DRAW;
1220     */
1221
1222     // Step 20. Check for mate and stalemate
1223     // All legal moves have been searched and if there are no legal moves, it
1224     // must be a mate or a stalemate. If we are in a singular extension search then
1225     // return a fail low score.
1226
1227     assert(moveCount || !inCheck || excludedMove || !MoveList<LEGAL>(pos).size());
1228
1229     if (!moveCount)
1230         bestValue = excludedMove ? alpha
1231                    :     inCheck ? mated_in(ss->ply) : VALUE_DRAW;
1232     else if (bestMove)
1233     {
1234         // Quiet best move: update move sorting heuristics
1235         if (!pos.capture_or_promotion(bestMove))
1236             update_quiet_stats(pos, ss, bestMove, quietsSearched, quietCount,
1237                                stat_bonus(depth + (bestValue > beta + PawnValueMg ? ONE_PLY : DEPTH_ZERO)));
1238
1239         update_capture_stats(pos, bestMove, capturesSearched, captureCount, stat_bonus(depth + ONE_PLY));
1240
1241         // Extra penalty for a quiet TT or main killer move in previous ply when it gets refuted
1242         if (   ((ss-1)->moveCount == 1 || ((ss-1)->currentMove == (ss-1)->killers[0]))
1243             && !pos.captured_piece())
1244                 update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, -stat_bonus(depth + ONE_PLY));
1245
1246     }
1247     // Bonus for prior countermove that caused the fail low
1248     else if (   (depth >= 3 * ONE_PLY || PvNode)
1249              && !pos.captured_piece())
1250         update_continuation_histories(ss-1, pos.piece_on(prevSq), prevSq, stat_bonus(depth));
1251
1252     if (PvNode)
1253         bestValue = std::min(bestValue, maxValue);
1254
1255     if (!excludedMove)
1256         tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), ttPv,
1257                   bestValue >= beta ? BOUND_LOWER :
1258                   PvNode && bestMove ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1259                   depth, bestMove, ss->staticEval);
1260
1261     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1262
1263     return bestValue;
1264   }
1265
1266
1267   // qsearch() is the quiescence search function, which is called by the main search
1268   // function with zero depth, or recursively with further decreasing depth per call.
1269   template <NodeType NT>
1270   Value qsearch(Position& pos, Stack* ss, Value alpha, Value beta, Depth depth) {
1271
1272     constexpr bool PvNode = NT == PV;
1273
1274     assert(alpha >= -VALUE_INFINITE && alpha < beta && beta <= VALUE_INFINITE);
1275     assert(PvNode || (alpha == beta - 1));
1276     assert(depth <= DEPTH_ZERO);
1277     assert(depth / ONE_PLY * ONE_PLY == depth);
1278
1279     Move pv[MAX_PLY+1];
1280     StateInfo st;
1281     TTEntry* tte;
1282     Key posKey;
1283     Move ttMove, move, bestMove;
1284     Depth ttDepth;
1285     Value bestValue, value, ttValue, futilityValue, futilityBase, oldAlpha;
1286     bool ttHit, pvHit, inCheck, givesCheck, evasionPrunable;
1287     int moveCount;
1288
1289     if (PvNode)
1290     {
1291         oldAlpha = alpha; // To flag BOUND_EXACT when eval above alpha and no available moves
1292         (ss+1)->pv = pv;
1293         ss->pv[0] = MOVE_NONE;
1294     }
1295
1296     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1297     (ss+1)->ply = ss->ply + 1;
1298     bestMove = MOVE_NONE;
1299     inCheck = pos.checkers();
1300     moveCount = 0;
1301
1302     // Check for an immediate draw or maximum ply reached
1303     if (   pos.is_draw(ss->ply)
1304         || ss->ply >= MAX_PLY)
1305         return (ss->ply >= MAX_PLY && !inCheck) ? evaluate(pos) : VALUE_DRAW;
1306
1307     assert(0 <= ss->ply && ss->ply < MAX_PLY);
1308
1309     // Decide whether or not to include checks: this fixes also the type of
1310     // TT entry depth that we are going to use. Note that in qsearch we use
1311     // only two types of depth in TT: DEPTH_QS_CHECKS or DEPTH_QS_NO_CHECKS.
1312     ttDepth = inCheck || depth >= DEPTH_QS_CHECKS ? DEPTH_QS_CHECKS
1313                                                   : DEPTH_QS_NO_CHECKS;
1314     // Transposition table lookup
1315     posKey = pos.key();
1316     tte = TT.probe(posKey, ttHit);
1317     ttValue = ttHit ? value_from_tt(tte->value(), ss->ply) : VALUE_NONE;
1318     ttMove = ttHit ? tte->move() : MOVE_NONE;
1319     pvHit = ttHit && tte->is_pv();
1320
1321     if (  !PvNode
1322         && ttHit
1323         && tte->depth() >= ttDepth
1324         && ttValue != VALUE_NONE // Only in case of TT access race
1325         && (ttValue >= beta ? (tte->bound() & BOUND_LOWER)
1326                             : (tte->bound() & BOUND_UPPER)))
1327         return ttValue;
1328
1329     // Evaluate the position statically
1330     if (inCheck)
1331     {
1332         ss->staticEval = VALUE_NONE;
1333         bestValue = futilityBase = -VALUE_INFINITE;
1334     }
1335     else
1336     {
1337         if (ttHit)
1338         {
1339             // Never assume anything on values stored in TT
1340             if ((ss->staticEval = bestValue = tte->eval()) == VALUE_NONE)
1341                 ss->staticEval = bestValue = evaluate(pos);
1342
1343             // Can ttValue be used as a better position evaluation?
1344             if (    ttValue != VALUE_NONE
1345                 && (tte->bound() & (ttValue > bestValue ? BOUND_LOWER : BOUND_UPPER)))
1346                 bestValue = ttValue;
1347         }
1348         else
1349             ss->staticEval = bestValue =
1350             (ss-1)->currentMove != MOVE_NULL ? evaluate(pos)
1351                                              : -(ss-1)->staticEval + 2 * Eval::Tempo;
1352
1353         // Stand pat. Return immediately if static value is at least beta
1354         if (bestValue >= beta)
1355         {
1356             if (!ttHit)
1357                 tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), pvHit, BOUND_LOWER,
1358                           DEPTH_NONE, MOVE_NONE, ss->staticEval);
1359
1360             return bestValue;
1361         }
1362
1363         if (PvNode && bestValue > alpha)
1364             alpha = bestValue;
1365
1366         futilityBase = bestValue + 128;
1367     }
1368
1369     const PieceToHistory* contHist[] = { (ss-1)->continuationHistory, (ss-2)->continuationHistory,
1370                                           nullptr, (ss-4)->continuationHistory,
1371                                           nullptr, (ss-6)->continuationHistory };
1372
1373     // Initialize a MovePicker object for the current position, and prepare
1374     // to search the moves. Because the depth is <= 0 here, only captures,
1375     // queen promotions and checks (only if depth >= DEPTH_QS_CHECKS) will
1376     // be generated.
1377     MovePicker mp(pos, ttMove, depth, &thisThread->mainHistory,
1378                                       &thisThread->captureHistory,
1379                                       contHist,
1380                                       to_sq((ss-1)->currentMove));
1381
1382     // Loop through the moves until no moves remain or a beta cutoff occurs
1383     while ((move = mp.next_move()) != MOVE_NONE)
1384     {
1385       assert(is_ok(move));
1386
1387       givesCheck = pos.gives_check(move);
1388
1389       moveCount++;
1390
1391       // Futility pruning
1392       if (   !inCheck
1393           && !givesCheck
1394           &&  futilityBase > -VALUE_KNOWN_WIN
1395           && !pos.advanced_pawn_push(move))
1396       {
1397           assert(type_of(move) != ENPASSANT); // Due to !pos.advanced_pawn_push
1398
1399           futilityValue = futilityBase + PieceValue[EG][pos.piece_on(to_sq(move))];
1400
1401           if (futilityValue <= alpha)
1402           {
1403               bestValue = std::max(bestValue, futilityValue);
1404               continue;
1405           }
1406
1407           if (futilityBase <= alpha && !pos.see_ge(move, VALUE_ZERO + 1))
1408           {
1409               bestValue = std::max(bestValue, futilityBase);
1410               continue;
1411           }
1412       }
1413
1414       // Detect non-capture evasions that are candidates to be pruned
1415       evasionPrunable =    inCheck
1416                        &&  (depth != DEPTH_ZERO || moveCount > 2)
1417                        &&  bestValue > VALUE_MATED_IN_MAX_PLY
1418                        && !pos.capture(move);
1419
1420       // Don't search moves with negative SEE values
1421       if (  (!inCheck || evasionPrunable)
1422           && (!givesCheck || !(pos.blockers_for_king(~pos.side_to_move()) & from_sq(move)))
1423           && !pos.see_ge(move))
1424           continue;
1425
1426       // Speculative prefetch as early as possible
1427       prefetch(TT.first_entry(pos.key_after(move)));
1428
1429       // Check for legality just before making the move
1430       if (!pos.legal(move))
1431       {
1432           moveCount--;
1433           continue;
1434       }
1435
1436       ss->currentMove = move;
1437       ss->continuationHistory = &thisThread->continuationHistory[pos.moved_piece(move)][to_sq(move)];
1438
1439       // Make and search the move
1440       pos.do_move(move, st, givesCheck);
1441       value = -qsearch<NT>(pos, ss+1, -beta, -alpha, depth - ONE_PLY);
1442       pos.undo_move(move);
1443
1444       assert(value > -VALUE_INFINITE && value < VALUE_INFINITE);
1445
1446       // Check for a new best move
1447       if (value > bestValue)
1448       {
1449           bestValue = value;
1450
1451           if (value > alpha)
1452           {
1453               bestMove = move;
1454
1455               if (PvNode) // Update pv even in fail-high case
1456                   update_pv(ss->pv, move, (ss+1)->pv);
1457
1458               if (PvNode && value < beta) // Update alpha here!
1459                   alpha = value;
1460               else
1461                   break; // Fail high
1462           }
1463        }
1464     }
1465
1466     // All legal moves have been searched. A special case: If we're in check
1467     // and no legal moves were found, it is checkmate.
1468     if (inCheck && bestValue == -VALUE_INFINITE)
1469         return mated_in(ss->ply); // Plies to mate from the root
1470
1471     tte->save(posKey, value_to_tt(bestValue, ss->ply), pvHit,
1472               bestValue >= beta ? BOUND_LOWER :
1473               PvNode && bestValue > oldAlpha  ? BOUND_EXACT : BOUND_UPPER,
1474               ttDepth, bestMove, ss->staticEval);
1475
1476     assert(bestValue > -VALUE_INFINITE && bestValue < VALUE_INFINITE);
1477
1478     return bestValue;
1479   }
1480
1481
1482   // value_to_tt() adjusts a mate score from "plies to mate from the root" to
1483   // "plies to mate from the current position". Non-mate scores are unchanged.
1484   // The function is called before storing a value in the transposition table.
1485
1486   Value value_to_tt(Value v, int ply) {
1487
1488     assert(v != VALUE_NONE);
1489
1490     return  v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v + ply
1491           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v - ply : v;
1492   }
1493
1494
1495   // value_from_tt() is the inverse of value_to_tt(): It adjusts a mate score
1496   // from the transposition table (which refers to the plies to mate/be mated
1497   // from current position) to "plies to mate/be mated from the root".
1498
1499   Value value_from_tt(Value v, int ply) {
1500
1501     return  v == VALUE_NONE             ? VALUE_NONE
1502           : v >= VALUE_MATE_IN_MAX_PLY  ? v - ply
1503           : v <= VALUE_MATED_IN_MAX_PLY ? v + ply : v;
1504   }
1505
1506
1507   // update_pv() adds current move and appends child pv[]
1508
1509   void update_pv(Move* pv, Move move, Move* childPv) {
1510
1511     for (*pv++ = move; childPv && *childPv != MOVE_NONE; )
1512         *pv++ = *childPv++;
1513     *pv = MOVE_NONE;
1514   }
1515
1516
1517   // update_continuation_histories() updates histories of the move pairs formed
1518   // by moves at ply -1, -2, and -4 with current move.
1519
1520   void update_continuation_histories(Stack* ss, Piece pc, Square to, int bonus) {
1521
1522     for (int i : {1, 2, 4, 6})
1523         if (is_ok((ss-i)->currentMove))
1524             (*(ss-i)->continuationHistory)[pc][to] << bonus;
1525   }
1526
1527
1528   // update_capture_stats() updates move sorting heuristics when a new capture best move is found
1529
1530   void update_capture_stats(const Position& pos, Move move,
1531                             Move* captures, int captureCount, int bonus) {
1532
1533       CapturePieceToHistory& captureHistory = pos.this_thread()->captureHistory;
1534       Piece moved_piece = pos.moved_piece(move);
1535       PieceType captured = type_of(pos.piece_on(to_sq(move)));
1536
1537       if (pos.capture_or_promotion(move))
1538           captureHistory[moved_piece][to_sq(move)][captured] << bonus;
1539
1540       // Decrease all the other played capture moves
1541       for (int i = 0; i < captureCount; ++i)
1542       {
1543           moved_piece = pos.moved_piece(captures[i]);
1544           captured = type_of(pos.piece_on(to_sq(captures[i])));
1545           captureHistory[moved_piece][to_sq(captures[i])][captured] << -bonus;
1546       }
1547   }
1548
1549
1550   // update_quiet_stats() updates move sorting heuristics when a new quiet best move is found
1551
1552   void update_quiet_stats(const Position& pos, Stack* ss, Move move,
1553                           Move* quiets, int quietCount, int bonus) {
1554
1555     if (ss->killers[0] != move)
1556     {
1557         ss->killers[1] = ss->killers[0];
1558         ss->killers[0] = move;
1559     }
1560
1561     Color us = pos.side_to_move();
1562     Thread* thisThread = pos.this_thread();
1563     thisThread->mainHistory[us][from_to(move)] << bonus;
1564     update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(move), to_sq(move), bonus);
1565
1566     if (is_ok((ss-1)->currentMove))
1567     {
1568         Square prevSq = to_sq((ss-1)->currentMove);
1569         thisThread->counterMoves[pos.piece_on(prevSq)][prevSq] = move;
1570     }
1571
1572     // Decrease all the other played quiet moves
1573     for (int i = 0; i < quietCount; ++i)
1574     {
1575         thisThread->mainHistory[us][from_to(quiets[i])] << -bonus;
1576         update_continuation_histories(ss, pos.moved_piece(quiets[i]), to_sq(quiets[i]), -bonus);
1577     }
1578   }
1579
1580   // When playing with strength handicap, choose best move among a set of RootMoves
1581   // using a statistical rule dependent on 'level'. Idea by Heinz van Saanen.
1582
1583   Move Skill::pick_best(size_t multiPV) {
1584
1585     const RootMoves& rootMoves = Threads.main()->rootMoves;
1586     static PRNG rng(now()); // PRNG sequence should be non-deterministic
1587
1588     // RootMoves are already sorted by score in descending order
1589     Value topScore = rootMoves[0].score;
1590     int delta = std::min(topScore - rootMoves[multiPV - 1].score, PawnValueMg);
1591     int weakness = 120 - 2 * level;
1592     int maxScore = -VALUE_INFINITE;
1593
1594     // Choose best move. For each move score we add two terms, both dependent on
1595     // weakness. One is deterministic and bigger for weaker levels, and one is
1596     // random. Then we choose the move with the resulting highest score.
1597     for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1598     {
1599         // This is our magic formula
1600         int push = (  weakness * int(topScore - rootMoves[i].score)
1601                     + delta * (rng.rand<unsigned>() % weakness)) / 128;
1602
1603         if (rootMoves[i].score + push >= maxScore)
1604         {
1605             maxScore = rootMoves[i].score + push;
1606             best = rootMoves[i].pv[0];
1607         }
1608     }
1609
1610     return best;
1611   }
1612
1613 } // namespace
1614
1615 /// MainThread::check_time() is used to print debug info and, more importantly,
1616 /// to detect when we are out of available time and thus stop the search.
1617
1618 void MainThread::check_time() {
1619
1620   if (--callsCnt > 0)
1621       return;
1622
1623   // When using nodes, ensure checking rate is not lower than 0.1% of nodes
1624   callsCnt = Limits.nodes ? std::min(1024, int(Limits.nodes / 1024)) : 1024;
1625
1626   static TimePoint lastInfoTime = now();
1627
1628   TimePoint elapsed = Time.elapsed();
1629   TimePoint tick = Limits.startTime + elapsed;
1630
1631   if (tick - lastInfoTime >= 1000)
1632   {
1633       lastInfoTime = tick;
1634       dbg_print();
1635   }
1636
1637   // We should not stop pondering until told so by the GUI
1638   if (ponder)
1639       return;
1640
1641   if (   (Limits.use_time_management() && (elapsed > Time.maximum() - 10 || stopOnPonderhit))
1642       || (Limits.movetime && elapsed >= Limits.movetime)
1643       || (Limits.nodes && Threads.nodes_searched() >= (uint64_t)Limits.nodes))
1644       Threads.stop = true;
1645 }
1646
1647
1648 /// UCI::pv() formats PV information according to the UCI protocol. UCI requires
1649 /// that all (if any) unsearched PV lines are sent using a previous search score.
1650
1651 string UCI::pv(const Position& pos, Depth depth, Value alpha, Value beta) {
1652
1653   std::stringstream ss;
1654   TimePoint elapsed = Time.elapsed() + 1;
1655   const RootMoves& rootMoves = pos.this_thread()->rootMoves;
1656   size_t pvIdx = pos.this_thread()->pvIdx;
1657   size_t multiPV = std::min((size_t)Options["MultiPV"], rootMoves.size());
1658   uint64_t nodesSearched = Threads.nodes_searched();
1659   uint64_t tbHits = Threads.tb_hits() + (TB::RootInTB ? rootMoves.size() : 0);
1660
1661   for (size_t i = 0; i < multiPV; ++i)
1662   {
1663       bool updated = (i <= pvIdx && rootMoves[i].score != -VALUE_INFINITE);
1664
1665       if (depth == ONE_PLY && !updated)
1666           continue;
1667
1668       Depth d = updated ? depth : depth - ONE_PLY;
1669       Value v = updated ? rootMoves[i].score : rootMoves[i].previousScore;
1670
1671       bool tb = TB::RootInTB && abs(v) < VALUE_MATE - MAX_PLY;
1672       v = tb ? rootMoves[i].tbScore : v;
1673
1674       if (ss.rdbuf()->in_avail()) // Not at first line
1675           ss << "\n";
1676
1677       ss << "info"
1678          << " depth "    << d / ONE_PLY
1679          << " seldepth " << rootMoves[i].selDepth
1680          << " multipv "  << i + 1
1681          << " score "    << UCI::value(v);
1682
1683       if (!tb && i == pvIdx)
1684           ss << (v >= beta ? " lowerbound" : v <= alpha ? " upperbound" : "");
1685
1686       ss << " nodes "    << nodesSearched
1687          << " nps "      << nodesSearched * 1000 / elapsed;
1688
1689       if (elapsed > 1000) // Earlier makes little sense
1690           ss << " hashfull " << TT.hashfull();
1691
1692       ss << " tbhits "   << tbHits
1693          << " time "     << elapsed
1694          << " pv";
1695
1696       for (Move m : rootMoves[i].pv)
1697           ss << " " << UCI::move(m, pos.is_chess960());
1698   }
1699
1700   return ss.str();
1701 }
1702
1703
1704 /// RootMove::extract_ponder_from_tt() is called in case we have no ponder move
1705 /// before exiting the search, for instance, in case we stop the search during a
1706 /// fail high at root. We try hard to have a ponder move to return to the GUI,
1707 /// otherwise in case of 'ponder on' we have nothing to think on.
1708
1709 bool RootMove::extract_ponder_from_tt(Position& pos) {
1710
1711     StateInfo st;
1712     bool ttHit;
1713
1714     assert(pv.size() == 1);
1715
1716     if (pv[0] == MOVE_NONE)
1717         return false;
1718
1719     pos.do_move(pv[0], st);
1720     TTEntry* tte = TT.probe(pos.key(), ttHit);
1721
1722     if (ttHit)
1723     {
1724         Move m = tte->move(); // Local copy to be SMP safe
1725         if (MoveList<LEGAL>(pos).contains(m))
1726             pv.push_back(m);
1727     }
1728
1729     pos.undo_move(pv[0]);
1730     return pv.size() > 1;
1731 }
1732
1733 void Tablebases::rank_root_moves(Position& pos, Search::RootMoves& rootMoves) {
1734
1735     RootInTB = false;
1736     UseRule50 = bool(Options["Syzygy50MoveRule"]);
1737     ProbeDepth = int(Options["SyzygyProbeDepth"]) * ONE_PLY;
1738     Cardinality = int(Options["SyzygyProbeLimit"]);
1739     bool dtz_available = true;
1740
1741     // Tables with fewer pieces than SyzygyProbeLimit are searched with
1742     // ProbeDepth == DEPTH_ZERO
1743     if (Cardinality > MaxCardinality)
1744     {
1745         Cardinality = MaxCardinality;
1746         ProbeDepth = DEPTH_ZERO;
1747     }
1748
1749     if (Cardinality >= popcount(pos.pieces()) && !pos.can_castle(ANY_CASTLING))
1750     {
1751         // Rank moves using DTZ tables
1752         RootInTB = root_probe(pos, rootMoves);
1753
1754         if (!RootInTB)
1755         {
1756             // DTZ tables are missing; try to rank moves using WDL tables
1757             dtz_available = false;
1758             RootInTB = root_probe_wdl(pos, rootMoves);
1759         }
1760     }
1761
1762     if (RootInTB)
1763     {
1764         // Sort moves according to TB rank
1765         std::sort(rootMoves.begin(), rootMoves.end(),
1766                   [](const RootMove &a, const RootMove &b) { return a.tbRank > b.tbRank; } );
1767
1768         // Probe during search only if DTZ is not available and we are winning
1769         if (dtz_available || rootMoves[0].tbScore <= VALUE_DRAW)
1770             Cardinality = 0;
1771     }
1772     else
1773     {
1774         // Clean up if root_probe() and root_probe_wdl() have failed
1775         for (auto& m : rootMoves)
1776             m.tbRank = 0;
1777     }
1778 }