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[stockfish] / src / tt.cpp
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 /*
   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
-  Copyright (C) 2004-2008 Tord Romstad (Glaurung author)
-  Copyright (C) 2008-2009 Marco Costalba
+  Copyright (C) 2004-2023 The Stockfish developers (see AUTHORS file)
 
   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
   it under the terms of the GNU General Public License as published by
   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
 */
 
-
-////
-//// Includes
-////
+#include "tt.h"
 
 #include <cassert>
-#include <cmath>
+#include <cstdlib>
 #include <cstring>
-
-#include "movegen.h"
-#include "tt.h"
-
-#if defined(_MSC_VER)
-#include <xmmintrin.h>
-#endif
-
-// This is the number of TTEntry slots for each position
-static const int ClusterSize = 5;
-
-// The main transposition table
-TranspositionTable TT;
-
-////
-//// Functions
-////
-
-TranspositionTable::TranspositionTable() {
-
-  size = writes = 0;
-  entries = 0;
-  generation = 0;
+#include <iostream>
+#include <thread>
+#include <vector>
+
+#include "misc.h"
+#include "thread.h"
+#include "uci.h"
+
+namespace Stockfish {
+
+TranspositionTable TT;  // Our global transposition table
+
+// Populates the TTEntry with a new node's data, possibly
+// overwriting an old position. The update is not atomic and can be racy.
+void TTEntry::save(Key k, Value v, bool pv, Bound b, Depth d, Move m, Value ev) {
+
+    // Preserve any existing move for the same position
+    if (m || uint16_t(k) != key16)
+        move16 = uint16_t(m);
+
+    // Overwrite less valuable entries (cheapest checks first)
+    if (b == BOUND_EXACT || uint16_t(k) != key16 || d - DEPTH_OFFSET + 2 * pv > depth8 - 4)
+    {
+        assert(d > DEPTH_OFFSET);
+        assert(d < 256 + DEPTH_OFFSET);
+
+        key16     = uint16_t(k);
+        depth8    = uint8_t(d - DEPTH_OFFSET);
+        genBound8 = uint8_t(TT.generation8 | uint8_t(pv) << 2 | b);
+        value16   = int16_t(v);
+        eval16    = int16_t(ev);
+    }
 }
 
-TranspositionTable::~TranspositionTable() {
 
-  delete [] entries;
-}
-
-
-/// TranspositionTable::set_size sets the size of the transposition table,
-/// measured in megabytes.
+// Sets the size of the transposition table,
+// measured in megabytes. Transposition table consists of a power of 2 number
+// of clusters and each cluster consists of ClusterSize number of TTEntry.
+void TranspositionTable::resize(size_t mbSize) {
 
-void TranspositionTable::set_size(unsigned mbSize) {
+    Threads.main()->wait_for_search_finished();
 
-  assert(mbSize >= 4 && mbSize <= 4096);
+    aligned_large_pages_free(table);
 
-  unsigned newSize = 1024;
+    clusterCount = mbSize * 1024 * 1024 / sizeof(Cluster);
 
-  // We store a cluster of ClusterSize number of TTEntry for each position
-  // and newSize is the maximum number of storable positions.
-  while ((2 * newSize) * ClusterSize * (sizeof(TTEntry)) <= (mbSize << 20))
-      newSize *= 2;
+    table = static_cast<Cluster*>(aligned_large_pages_alloc(clusterCount * sizeof(Cluster)));
+    if (!table)
+    {
+        std::cerr << "Failed to allocate " << mbSize << "MB for transposition table." << std::endl;
+        exit(EXIT_FAILURE);
+    }
 
-  if (newSize != size)
-  {
-      size = newSize;
-      delete [] entries;
-      entries = new TTEntry[size * ClusterSize];
-      if (!entries)
-      {
-          std::cerr << "Failed to allocate " << mbSize
-                    << " MB for transposition table." << std::endl;
-          Application::exit_with_failure();
-      }
-      clear();
-  }
+    clear();
 }
 
 
-/// TranspositionTable::clear overwrites the entire transposition table
-/// with zeroes. It is called whenever the table is resized, or when the
-/// user asks the program to clear the table (from the UCI interface).
-/// Perhaps we should also clear it when the "ucinewgame" command is recieved?
-
+// Initializes the entire transposition table to zero,
+// in a multi-threaded way.
 void TranspositionTable::clear() {
 
-  memset(entries, 0, size * ClusterSize * sizeof(TTEntry));
-}
+    std::vector<std::thread> threads;
 
+    for (size_t idx = 0; idx < size_t(Options["Threads"]); ++idx)
+    {
+        threads.emplace_back([this, idx]() {
+            // Thread binding gives faster search on systems with a first-touch policy
+            if (Options["Threads"] > 8)
+                WinProcGroup::bindThisThread(idx);
 
-/// TranspositionTable::first_entry returns a pointer to the first
-/// entry of a cluster given a position. The low 32 bits of the key
-/// are used to get the index in the table.
+            // Each thread will zero its part of the hash table
+            const size_t stride = size_t(clusterCount / Options["Threads"]),
+                         start  = size_t(stride * idx),
+                         len =
+                           idx != size_t(Options["Threads"]) - 1 ? stride : clusterCount - start;
 
-inline TTEntry* TranspositionTable::first_entry(const Key posKey) const {
+            std::memset(&table[start], 0, len * sizeof(Cluster));
+        });
+    }
 
-  return entries + ((uint32_t(posKey) & (size - 1)) * ClusterSize);
+    for (std::thread& th : threads)
+        th.join();
 }
 
 
-/// TranspositionTable::store writes a new entry containing a position,
-/// a value, a value type, a search depth, and a best move to the
-/// transposition table. Transposition table is organized in clusters of
-/// four TTEntry objects, and when a new entry is written, it replaces
-/// the least valuable of the four entries in a cluster. A TTEntry t1 is
-/// considered to be more valuable than a TTEntry t2 if t1 is from the
-/// current search and t2 is from a previous search, or if the depth of t1
-/// is bigger than the depth of t2. A TTEntry of type VALUE_TYPE_EVAL
-/// never replaces another entry for the same position.
-
-void TranspositionTable::store(const Key posKey, Value v, ValueType t, Depth d, Move m) {
-
-  TTEntry *tte, *replace;
-  uint32_t posKey32 = posKey >> 32; // Use the high 32 bits as key
-
-  tte = replace = first_entry(posKey);
-  for (int i = 0; i < ClusterSize; i++, tte++)
-  {
-      if (!tte->key() || tte->key() == posKey32) // empty or overwrite old
-      {
-          // Do not overwrite when new type is VALUE_TYPE_EVAL
-          if (tte->key() && t == VALUE_TYPE_EVAL)
-              return;
-
-          if (m == MOVE_NONE)
-              m = tte->move();
-
-          *tte = TTEntry(posKey32, v, t, d, m, generation);
-          return;
-      }
-      else if (i == 0)  // replace would be a no-op in this common case
-          continue;
-
-      int c1 = (replace->generation() == generation ?  2 : 0);
-      int c2 = (tte->generation() == generation ? -2 : 0);
-      int c3 = (tte->depth() < replace->depth() ?  1 : 0);
-
-      if (c1 + c2 + c3 > 0)
-          replace = tte;
-  }
-  *replace = TTEntry(posKey32, v, t, d, m, generation);
-  writes++;
+// Looks up the current position in the transposition
+// table. It returns true and a pointer to the TTEntry if the position is found.
+// Otherwise, it returns false and a pointer to an empty or least valuable TTEntry
+// to be replaced later. The replace value of an entry is calculated as its depth
+// minus 8 times its relative age. TTEntry t1 is considered more valuable than
+// TTEntry t2 if its replace value is greater than that of t2.
+TTEntry* TranspositionTable::probe(const Key key, bool& found) const {
+
+    TTEntry* const tte   = first_entry(key);
+    const uint16_t key16 = uint16_t(key);  // Use the low 16 bits as key inside the cluster
+
+    for (int i = 0; i < ClusterSize; ++i)
+        if (tte[i].key16 == key16 || !tte[i].depth8)
+        {
+            tte[i].genBound8 =
+              uint8_t(generation8 | (tte[i].genBound8 & (GENERATION_DELTA - 1)));  // Refresh
+
+            return found = bool(tte[i].depth8), &tte[i];
+        }
+
+    // Find an entry to be replaced according to the replacement strategy
+    TTEntry* replace = tte;
+    for (int i = 1; i < ClusterSize; ++i)
+        // Due to our packed storage format for generation and its cyclic
+        // nature we add GENERATION_CYCLE (256 is the modulus, plus what
+        // is needed to keep the unrelated lowest n bits from affecting
+        // the result) to calculate the entry age correctly even after
+        // generation8 overflows into the next cycle.
+        if (replace->depth8
+              - ((GENERATION_CYCLE + generation8 - replace->genBound8) & GENERATION_MASK)
+            > tte[i].depth8
+                - ((GENERATION_CYCLE + generation8 - tte[i].genBound8) & GENERATION_MASK))
+            replace = &tte[i];
+
+    return found = false, replace;
 }
 
 
-/// TranspositionTable::retrieve looks up the current position in the
-/// transposition table. Returns a pointer to the TTEntry or NULL
-/// if position is not found.
+// Returns an approximation of the hashtable
+// occupation during a search. The hash is x permill full, as per UCI protocol.
 
-TTEntry* TranspositionTable::retrieve(const Key posKey) const {
+int TranspositionTable::hashfull() const {
 
-  uint32_t posKey32 = posKey >> 32;
-  TTEntry* tte = first_entry(posKey);
+    int cnt = 0;
+    for (int i = 0; i < 1000; ++i)
+        for (int j = 0; j < ClusterSize; ++j)
+            cnt += table[i].entry[j].depth8
+                && (table[i].entry[j].genBound8 & GENERATION_MASK) == generation8;
 
-  for (int i = 0; i < ClusterSize; i++, tte++)
-      if (tte->key() == posKey32)
-          return tte;
-
-  return NULL;
+    return cnt / ClusterSize;
 }
 
-
-/// TranspositionTable::prefetch looks up the current position in the
-/// transposition table and load it in L1/L2 cache. This is a non
-/// blocking function and do not stalls the CPU waiting for data
-/// to be loaded from RAM, that can be very slow. When we will
-/// subsequently call retrieve() the TT data will be already
-/// quickly accessible in L1/l2 CPU cache.
-
-void TranspositionTable::prefetch(const Key posKey) const {
-
-#if defined(_MSC_VER)
-  _mm_prefetch((char*)first_entry(posKey), _MM_HINT_T0);
-#else
-  __builtin_prefetch((const void*)first_entry(posKey), 0, 3);
-#endif
-}
-
-
-/// TranspositionTable::new_search() is called at the beginning of every new
-/// search. It increments the "generation" variable, which is used to
-/// distinguish transposition table entries from previous searches from
-/// entries from the current search.
-
-void TranspositionTable::new_search() {
-
-  generation++;
-  writes = 0;
-}
-
-
-/// TranspositionTable::insert_pv() is called at the end of a search
-/// iteration, and inserts the PV back into the PV. This makes sure
-/// the old PV moves are searched first, even if the old TT entries
-/// have been overwritten.
-
-void TranspositionTable::insert_pv(const Position& pos, Move pv[]) {
-
-  StateInfo st;
-  Position p(pos);
-
-  for (int i = 0; pv[i] != MOVE_NONE; i++)
-  {
-      store(p.get_key(), VALUE_NONE, VALUE_TYPE_NONE, Depth(-127*OnePly), pv[i]);
-      p.do_move(pv[i], st);
-  }
-}
-
-
-/// TranspositionTable::extract_pv() extends a PV by adding moves from the
-/// transposition table at the end. This should ensure that the PV is almost
-/// always at least two plies long, which is important, because otherwise we
-/// will often get single-move PVs when the search stops while failing high,
-/// and a single-move PV means that we don't have a ponder move.
-
-void TranspositionTable::extract_pv(const Position& pos, Move pv[]) {
-
-  int ply;
-  Position p(pos);
-  StateInfo st[100];
-
-  for (ply = 0; pv[ply] != MOVE_NONE; ply++)
-      p.do_move(pv[ply], st[ply]);
-
-  bool stop;
-  const TTEntry* tte;
-  for (stop = false, tte = retrieve(p.get_key());
-       tte && tte->move() != MOVE_NONE && !stop;
-       tte = retrieve(p.get_key()), ply++)
-  {
-      if (!move_is_legal(p, tte->move()))
-          break;
-      pv[ply] = tte->move();
-      p.do_move(pv[ply], st[ply]);
-      for (int j = 0; j < ply; j++)
-          if (st[j].key == p.get_key()) stop = true;
-  }
-  pv[ply] = MOVE_NONE;
-}
-
-
-/// TranspositionTable::full() returns the permill of all transposition table
-/// entries which have received at least one write during the current search.
-/// It is used to display the "info hashfull ..." information in UCI.
-
-int TranspositionTable::full() const {
-
-  double N = double(size) * ClusterSize;
-  return int(1000 * (1 - exp(writes * log(1.0 - 1.0/N))));
-}
+}  // namespace Stockfish