Bug in Monte Carlo Tree Search implementation

I am working on a Tic-Tac-Toe engine using the Monte Carlo Tree Search (MCTS) algorithm. However, I’ve encountered a bug where the AI sometimes fails to block the opponent’s winning moves, resulting in losses. Additionally, the program occasionally crashes due to a segmentation fault.

I’ve included MCVE of my code below:

main.cc

#include "node.hpp"
#include <cassert>
#include <cfloat>
#include <iostream>
#include <string>
#include <cctype>
#include <deque>

void print_board(uint16_t ai_board, uint16_t enemy_board, char ai, char player) {
  char board[9] = {' ', ' ', ' ', ' ', ' ', ' ', ' ', ' ', ' '};

  for (int i = 0; i < 9; i++) {
    if (ai_board & (1 << i))
      board[i] = ai;
    else if (enemy_board & (1 << i))
      board[i] = player;
  }

  std::cout << " A   B   Cnn";
  std::cout << " " << board[0] << " | " << board[1] << " | " << board[2] << "   1n";
  std::cout << "---|---|---n";
  std::cout << " " << board[3] << " | " << board[4] << " | " << board[5] << "   2n";
  std::cout << "---|---|---n";
  std::cout << " " << board[6] << " | " << board[7] << " | " << board[8] << "   3n";
}

bool is_valid_coordinate(char col, char row) {
  return (col >= 'A' && col <= 'C') && (row >= '1' && row <= '3');
}

int coordinate_to_idx(char col, char row) {
  return (col - 'A') + 3 * (row - '1');
}

int main(int argc, char **argv) {
  char player;

  for(;;) {
    std::string selection;
    std::cout << "Select your symbol (X/O): ";
    std::cin >> selection;

    if(selection.length() != 1) {
      std::cout << "Invalid input format. Try again.n";
      continue;
    }
    player = std::toupper(selection[0]);

    if(player != 'X' && player != 'O') {
      std::cout << "Invalid selection. Try again.n";
      continue;
    }

    break;
  }

  char ai = player == 'O' ? 'X' : 'O';
  bool is_ai_turn = ai == 'X';

  std::deque<Node> arena;
  Node root(&arena, is_ai_turn);
  Node *curr_node = &root;

  if(!is_ai_turn)
    print_board(0, 0, ai, player);

  curr_node->enemy_board = 0b101000000;

  while (true) {
    if (curr_node->GetWinner()) {
      std::cout << "Game Over! ";
      if (curr_node->GetWinner() == 1)
        std::cout << "AI wins!" << std::endl;
      else
        std::cout << "You win!" << std::endl;
      break;
    }

    if (curr_node->is_ai_turn) {
      curr_node = curr_node->CalculateBestMove(10000);
      std::cout << "AI's move:" << std::endl;
      print_board(curr_node->ai_board, curr_node->enemy_board, ai, player);
    } 
    else {
      std::cout << "Enter your move (e.g., A1, B2): ";
      std::string move;
      std::cin >> move;

      if (move.size() != 2) {
        std::cout << "Invalid input format. Try again.n";
        continue;
      }

      char col = std::toupper(move[0]);
      char row = move[1];

      if (!std::isalpha(col) || !std::isdigit(row) || !is_valid_coordinate(col, row)) {
        std::cout << "Invalid input format. Try again.n";
        continue;
      }

      int idx = coordinate_to_idx(col, row);

      if (curr_node->ai_board & (1 << idx) || curr_node->enemy_board & (1 << idx)) {
        std::cout << "The position is already taken. Try again.n";
        continue;
      }

      curr_node = curr_node->SearchEnemyMove(idx);

      assert(curr_node != nullptr);
      std::cout << "Your move:" << std::endl;
      print_board(curr_node->ai_board, curr_node->enemy_board, ai, player);
    }
  }

  return 0;
}

node.hpp

#ifndef NODE_HPP
#define NODE_HPP
#include <cstddef>
#include <cstdint>
#include <deque>

struct Node {
  int64_t eval;
  size_t visit_count;
  size_t win_count;
  Node *parent;
  uint16_t ai_board;
  uint16_t enemy_board;
  uint8_t child_count;
  Node *children[9];
  std::deque<Node>* arena;
  bool is_ai_turn;

  Node(std::deque<Node> *arena, bool is_ai_turn);
  Node *CalculateBestMove(size_t iter_count);
  Node *SearchEnemyMove(int move);
  int GetWinner();

private:
  Node *GetBestChild();
  Node *FindBestLeafNode();
  void CreateChildren();
  void SimulateAndPropagate();
  double GetUcbScore();
};
#endif // NODE_HPP 

node.cc

#include "node.hpp"
#include <cassert>
#include <cfloat>
#include <cmath>
#include <iostream>
#include <random>
#include <vector>

Node::Node(std::deque<Node> *arena, bool is_ai_turn) {
  this->eval = 0;
  this->visit_count = 0;
  this->win_count = 0;
  this->parent = nullptr;
  this->ai_board = 0;
  this->enemy_board = 0;
  this->child_count = 0;
  this->arena = arena;
  this->is_ai_turn = is_ai_turn;
}

Node *Node::GetBestChild() {
  double best_score = DBL_MIN;
  Node* best_child;

  for (auto i = 0; i < this->child_count; i++) {
    auto score = this->children[i]->GetUcbScore();
    if (score > best_score) {
      best_score = score;
      best_child = this->children[i];
    }
  }

  return best_child;
}

Node *Node::FindBestLeafNode() {
  if (this->child_count == 0)
    return this;

  return this->GetBestChild()->FindBestLeafNode();
}

Node *Node::SearchEnemyMove(int move) {
  this->CreateChildren();

  for(int i = 0; i < this->child_count; i++) {
    if(this->children[i]->enemy_board & (1 << move))
      return this->children[i];
  }
  
  assert(false);
  return nullptr;
}

void Node::CreateChildren() {
  if(this->GetWinner() || this->child_count > 0)
    return;

  for(int pos = 0; pos < 9; pos++) {
    bool p1 = this->ai_board & (1 << pos);
    bool p2 = this->enemy_board & (1 << pos);

    if (!p1 && !p2) {
      Node n(this->arena, !this->is_ai_turn);
      n.parent = this;
      n.ai_board = this->ai_board;
      n.enemy_board = this->enemy_board;

      if(this->is_ai_turn) 
        n.ai_board |= 1 << pos;
      else
        n.enemy_board |= 1 << pos;

      this->arena->push_back(n);

      assert(this->child_count < 9);
      this->children[this->child_count++] = &this->arena->back();
    }
  }
}

void Node::SimulateAndPropagate() {
  int eval = this->GetWinner();

  uint16_t saved_ai_board = this->ai_board;
  uint16_t saved_enemy_board = this->enemy_board;
  bool saved_turn = this->is_ai_turn;

  std::random_device rd;
  std::mt19937 gen(rd());

  assert((saved_ai_board & saved_enemy_board) == 0);

  while (!eval) {
    std::vector<int> available_moves;
    for (int pos = 0; pos < 9; pos++) {
      bool p1 = this->ai_board & (1 << pos);
      bool p2 = this->enemy_board & (1 << pos);
      if (!p1 && !p2)
        available_moves.push_back(pos);
    }

    if (available_moves.empty())
      break;

    std::uniform_int_distribution<> dis(0, available_moves.size() - 1);
    int move = available_moves[dis(gen)];

    if (this->is_ai_turn) {
      this->ai_board |= 1 << move;
    } else {
      this->enemy_board |= 1 << move;
    }

    this->is_ai_turn = !this->is_ai_turn;
    eval = this->GetWinner();

    assert((this->ai_board & this->enemy_board) == 0);
  }

  this->ai_board = saved_ai_board;
  this->enemy_board = saved_enemy_board;
  this->is_ai_turn = saved_turn;

  auto curr_node = this;
  while (curr_node != nullptr) {
    curr_node->visit_count++;
    curr_node->eval += eval;
    if (eval == 1) {
      curr_node->win_count++;
    }
    curr_node = curr_node->parent;
  }
}

Node *Node::CalculateBestMove(size_t iter_count) {
  std::random_device rd;
  std::mt19937 gen(rd());

  for (size_t i = 0; i < iter_count; i++) {
    Node *leaf = this->FindBestLeafNode();
    leaf->CreateChildren();

    if (leaf->child_count > 0) {
      std::uniform_int_distribution<> dis(0, leaf->child_count - 1);
      leaf = leaf->children[dis(gen)];
    }
    if(leaf->ai_board == 128 && leaf->enemy_board == 320) {
      std::cout << "Wow!n";
    }
    leaf->SimulateAndPropagate();
  }

  int64_t best_eval = INT64_MIN;
  Node *best_node;

  for (int i = 0; i < this->child_count; i++) {
    if (this->children[i]->eval > best_eval) {
      best_eval = this->children[i]->eval;
      best_node = this->children[i];
    }
  }

  return best_node;
}

int Node::GetWinner() {
  for (const uint16_t mask :
      {0b000000111, 0b000111000, 0b111000000, 0b001001001, 0b010010010,
      0b100100100, 0b100010001, 0b001010100}) {
    if ((this->ai_board & mask) == mask) {
      return 1;
    } else if ((this->enemy_board & mask) == mask) {
      return -1;
    }
  }
  return 0;
}

double Node::GetUcbScore() {
  auto parent = this->parent ? this->parent : this;

  if (this->visit_count == 0)
    return DBL_MAX;

  constexpr double c = 1.4;

  double exploitation = (double)this->win_count / this->visit_count;
  double exploration = c * sqrt(log(parent->visit_count) / this->visit_count);

  return exploration + exploitation;
}

Compilation Command

$ clang++ -o mcts -g -std=c++11 -fsanitize=undefined src/main.cc src/node.cc

Example Bug

Here is an example where the AI (X) makes a move that ignores the opponent’s winning move:

 A   B   C

   | X |     1
---|---|---
   |   |     2
---|---|---
 O |   | O   3

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật