git.sesse.net Git - stockfish/blob - src/bitboard.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) 2015-2017 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
  23 #include "bitboard.h"
  24 #include "misc.h"
  25
  26 uint8_t PopCnt16[1 << 16];
  27 int SquareDistance[SQUARE_NB][SQUARE_NB];
  28
  29 Bitboard  RookMasks  [SQUARE_NB];
  30 Bitboard  RookMagics [SQUARE_NB];
  31 Bitboard* RookAttacks[SQUARE_NB];
  32 unsigned  RookShifts [SQUARE_NB];
  33
  34 Bitboard  BishopMasks  [SQUARE_NB];
  35 Bitboard  BishopMagics [SQUARE_NB];
  36 Bitboard* BishopAttacks[SQUARE_NB];
  37 unsigned  BishopShifts [SQUARE_NB];
  38
  39 Bitboard SquareBB[SQUARE_NB];
  40 Bitboard FileBB[FILE_NB];
  41 Bitboard RankBB[RANK_NB];
  42 Bitboard AdjacentFilesBB[FILE_NB];
  43 Bitboard InFrontBB[COLOR_NB][RANK_NB];
  44 Bitboard BetweenBB[SQUARE_NB][SQUARE_NB];
  45 Bitboard LineBB[SQUARE_NB][SQUARE_NB];
  46 Bitboard DistanceRingBB[SQUARE_NB][8];
  47 Bitboard ForwardBB[COLOR_NB][SQUARE_NB];
  48 Bitboard PassedPawnMask[COLOR_NB][SQUARE_NB];
  49 Bitboard PawnAttackSpan[COLOR_NB][SQUARE_NB];
  50 Bitboard PseudoAttacks[PIECE_TYPE_NB][SQUARE_NB];
  51 Bitboard PawnAttacks[COLOR_NB][SQUARE_NB];
  52
  53 namespace {
  54
  55   // De Bruijn sequences. See chessprogramming.wikispaces.com/BitScan
  56   const uint64_t DeBruijn64 = 0x3F79D71B4CB0A89ULL;
  57   const uint32_t DeBruijn32 = 0x783A9B23;
  58
  59   int MSBTable[256];            // To implement software msb()
  60   Square BSFTable[SQUARE_NB];   // To implement software bitscan
  61   Bitboard RookTable[0x19000];  // To store rook attacks
  62   Bitboard BishopTable[0x1480]; // To store bishop attacks
  63
  64   typedef unsigned (Fn)(Square, Bitboard);
  65
  66   void init_magics(Bitboard table[], Bitboard* attacks[], Bitboard magics[],
  67                    Bitboard masks[], unsigned shifts[], Square deltas[], Fn index);
  68
  69   // bsf_index() returns the index into BSFTable[] to look up the bitscan. Uses
  70   // Matt Taylor's folding for 32 bit case, extended to 64 bit by Kim Walisch.
  71
  72   unsigned bsf_index(Bitboard b) {
  73     b ^= b - 1;
  74     return Is64Bit ? (b * DeBruijn64) >> 58
  75                    : ((unsigned(b) ^ unsigned(b >> 32)) * DeBruijn32) >> 26;
  76   }
  77
  78
  79   // popcount16() counts the non-zero bits using SWAR-Popcount algorithm
  80
  81   unsigned popcount16(unsigned u) {
  82     u -= (u >> 1) & 0x5555U;
  83     u = ((u >> 2) & 0x3333U) + (u & 0x3333U);
  84     u = ((u >> 4) + u) & 0x0F0FU;
  85     return (u * 0x0101U) >> 8;
  86   }
  87 }
  88
  89 #ifdef NO_BSF
  90
  91 /// Software fall-back of lsb() and msb() for CPU lacking hardware support
  92
  93 Square lsb(Bitboard b) {
  94   assert(b);
  95   return BSFTable[bsf_index(b)];
  96 }
  97
  98 Square msb(Bitboard b) {
  99
 100   assert(b);
 101   unsigned b32;
 102   int result = 0;
 103
 104   if (b > 0xFFFFFFFF)
 105   {
 106       b >>= 32;
 107       result = 32;
 108   }
 109
 110   b32 = unsigned(b);
 111
 112   if (b32 > 0xFFFF)
 113   {
 114       b32 >>= 16;
 115       result += 16;
 116   }
 117
 118   if (b32 > 0xFF)
 119   {
 120       b32 >>= 8;
 121       result += 8;
 122   }
 123
 124   return Square(result + MSBTable[b32]);
 125 }
 126
 127 #endif // ifdef NO_BSF
 128
 129
 130 /// Bitboards::pretty() returns an ASCII representation of a bitboard suitable
 131 /// to be printed to standard output. Useful for debugging.
 132
 133 const std::string Bitboards::pretty(Bitboard b) {
 134
 135   std::string s = "+---+---+---+---+---+---+---+---+\n";
 136
 137   for (Rank r = RANK_8; r >= RANK_1; --r)
 138   {
 139       for (File f = FILE_A; f <= FILE_H; ++f)
 140           s += b & make_square(f, r) ? "| X " : "|   ";
 141
 142       s += "|\n+---+---+---+---+---+---+---+---+\n";
 143   }
 144
 145   return s;
 146 }
 147
 148
 149 /// Bitboards::init() initializes various bitboard tables. It is called at
 150 /// startup and relies on global objects to be already zero-initialized.
 151
 152 void Bitboards::init() {
 153
 154   for (unsigned i = 0; i < (1 << 16); ++i)
 155       PopCnt16[i] = (uint8_t) popcount16(i);
 156
 157   for (Square s = SQ_A1; s <= SQ_H8; ++s)
 158   {
 159       SquareBB[s] = 1ULL << s;
 160       BSFTable[bsf_index(SquareBB[s])] = s;
 161   }
 162
 163   for (Bitboard b = 2; b < 256; ++b)
 164       MSBTable[b] = MSBTable[b - 1] + !more_than_one(b);
 165
 166   for (File f = FILE_A; f <= FILE_H; ++f)
 167       FileBB[f] = f > FILE_A ? FileBB[f - 1] << 1 : FileABB;
 168
 169   for (Rank r = RANK_1; r <= RANK_8; ++r)
 170       RankBB[r] = r > RANK_1 ? RankBB[r - 1] << 8 : Rank1BB;
 171
 172   for (File f = FILE_A; f <= FILE_H; ++f)
 173       AdjacentFilesBB[f] = (f > FILE_A ? FileBB[f - 1] : 0) | (f < FILE_H ? FileBB[f + 1] : 0);
 174
 175   for (Rank r = RANK_1; r < RANK_8; ++r)
 176       InFrontBB[WHITE][r] = ~(InFrontBB[BLACK][r + 1] = InFrontBB[BLACK][r] | RankBB[r]);
 177
 178   for (Color c = WHITE; c <= BLACK; ++c)
 179       for (Square s = SQ_A1; s <= SQ_H8; ++s)
 180       {
 181           ForwardBB[c][s]      = InFrontBB[c][rank_of(s)] & FileBB[file_of(s)];
 182           PawnAttackSpan[c][s] = InFrontBB[c][rank_of(s)] & AdjacentFilesBB[file_of(s)];
 183           PassedPawnMask[c][s] = ForwardBB[c][s] | PawnAttackSpan[c][s];
 184       }
 185
 186   for (Square s1 = SQ_A1; s1 <= SQ_H8; ++s1)
 187       for (Square s2 = SQ_A1; s2 <= SQ_H8; ++s2)
 188           if (s1 != s2)
 189           {
 190               SquareDistance[s1][s2] = std::max(distance<File>(s1, s2), distance<Rank>(s1, s2));
 191               DistanceRingBB[s1][SquareDistance[s1][s2] - 1] |= s2;
 192           }
 193
 194   int steps[][5] = { {}, { 7, 9 }, { 6, 10, 15, 17 }, {}, {}, {}, { 1, 7, 8, 9 } };
 195
 196   for (Color c = WHITE; c <= BLACK; ++c)
 197       for (PieceType pt : { PAWN, KNIGHT, KING })
 198           for (Square s = SQ_A1; s <= SQ_H8; ++s)
 199               for (int i = 0; steps[pt][i]; ++i)
 200               {
 201                   Square to = s + Square(c == WHITE ? steps[pt][i] : -steps[pt][i]);
 202
 203                   if (is_ok(to) && distance(s, to) < 3)
 204                   {
 205                       if (pt == PAWN)
 206                           PawnAttacks[c][s] |= to;
 207                       else
 208                           PseudoAttacks[pt][s] |= to;
 209                   }
 210               }
 211
 212   Square RookDeltas[] = { NORTH,  EAST,  SOUTH,  WEST };
 213   Square BishopDeltas[] = { NORTH_EAST, SOUTH_EAST, SOUTH_WEST, NORTH_WEST };
 214
 215   init_magics(RookTable, RookAttacks, RookMagics, RookMasks, RookShifts, RookDeltas, magic_index<ROOK>);
 216   init_magics(BishopTable, BishopAttacks, BishopMagics, BishopMasks, BishopShifts, BishopDeltas, magic_index<BISHOP>);
 217
 218   for (Square s1 = SQ_A1; s1 <= SQ_H8; ++s1)
 219   {
 220       PseudoAttacks[QUEEN][s1]  = PseudoAttacks[BISHOP][s1] = attacks_bb<BISHOP>(s1, 0);
 221       PseudoAttacks[QUEEN][s1] |= PseudoAttacks[  ROOK][s1] = attacks_bb<  ROOK>(s1, 0);
 222
 223       for (PieceType pt : { BISHOP, ROOK })
 224           for (Square s2 = SQ_A1; s2 <= SQ_H8; ++s2)
 225           {
 226               if (!(PseudoAttacks[pt][s1] & s2))
 227                   continue;
 228
 229               LineBB[s1][s2] = (attacks_bb(pt, s1, 0) & attacks_bb(pt, s2, 0)) | s1 | s2;
 230               BetweenBB[s1][s2] = attacks_bb(pt, s1, SquareBB[s2]) & attacks_bb(pt, s2, SquareBB[s1]);
 231           }
 232   }
 233 }
 234
 235
 236 namespace {
 237
 238   Bitboard sliding_attack(Square deltas[], Square sq, Bitboard occupied) {
 239
 240     Bitboard attack = 0;
 241
 242     for (int i = 0; i < 4; ++i)
 243         for (Square s = sq + deltas[i];
 244              is_ok(s) && distance(s, s - deltas[i]) == 1;
 245              s += deltas[i])
 246         {
 247             attack |= s;
 248
 249             if (occupied & s)
 250                 break;
 251         }
 252
 253     return attack;
 254   }
 255
 256
 257   // init_magics() computes all rook and bishop attacks at startup. Magic
 258   // bitboards are used to look up attacks of sliding pieces. As a reference see
 259   // chessprogramming.wikispaces.com/Magic+Bitboards. In particular, here we
 260   // use the so called "fancy" approach.
 261
 262   void init_magics(Bitboard table[], Bitboard* attacks[], Bitboard magics[],
 263                    Bitboard masks[], unsigned shifts[], Square deltas[], Fn index) {
 264
 265     int seeds[][RANK_NB] = { { 8977, 44560, 54343, 38998,  5731, 95205, 104912, 17020 },
 266                              {  728, 10316, 55013, 32803, 12281, 15100,  16645,   255 } };
 267
 268     Bitboard occupancy[4096], reference[4096], edges, b;
 269     int age[4096] = {0}, current = 0, i, size;
 270
 271     // attacks[s] is a pointer to the beginning of the attacks table for square 's'
 272     attacks[SQ_A1] = table;
 273
 274     for (Square s = SQ_A1; s <= SQ_H8; ++s)
 275     {
 276         // Board edges are not considered in the relevant occupancies
 277         edges = ((Rank1BB | Rank8BB) & ~rank_bb(s)) | ((FileABB | FileHBB) & ~file_bb(s));
 278
 279         // Given a square 's', the mask is the bitboard of sliding attacks from
 280         // 's' computed on an empty board. The index must be big enough to contain
 281         // all the attacks for each possible subset of the mask and so is 2 power
 282         // the number of 1s of the mask. Hence we deduce the size of the shift to
 283         // apply to the 64 or 32 bits word to get the index.
 284         masks[s]  = sliding_attack(deltas, s, 0) & ~edges;
 285         shifts[s] = (Is64Bit ? 64 : 32) - popcount(masks[s]);
 286
 287         // Use Carry-Rippler trick to enumerate all subsets of masks[s] and
 288         // store the corresponding sliding attack bitboard in reference[].
 289         b = size = 0;
 290         do {
 291             occupancy[size] = b;
 292             reference[size] = sliding_attack(deltas, s, b);
 293
 294             if (HasPext)
 295                 attacks[s][pext(b, masks[s])] = reference[size];
 296
 297             size++;
 298             b = (b - masks[s]) & masks[s];
 299         } while (b);
 300
 301         // Set the offset for the table of the next square. We have individual
 302         // table sizes for each square with "Fancy Magic Bitboards".
 303         if (s < SQ_H8)
 304             attacks[s + 1] = attacks[s] + size;
 305
 306         if (HasPext)
 307             continue;
 308
 309         PRNG rng(seeds[Is64Bit][rank_of(s)]);
 310
 311         // Find a magic for square 's' picking up an (almost) random number
 312         // until we find the one that passes the verification test.
 313         do {
 314             do
 315                 magics[s] = rng.sparse_rand<Bitboard>();
 316             while (popcount((magics[s] * masks[s]) >> 56) < 6);
 317
 318             // A good magic must map every possible occupancy to an index that
 319             // looks up the correct sliding attack in the attacks[s] database.
 320             // Note that we build up the database for square 's' as a side
 321             // effect of verifying the magic.
 322             for (++current, i = 0; i < size; ++i)
 323             {
 324                 unsigned idx = index(s, occupancy[i]);
 325
 326                 if (age[idx] < current)
 327                 {
 328                     age[idx] = current;
 329                     attacks[s][idx] = reference[i];
 330                 }
 331                 else if (attacks[s][idx] != reference[i])
 332                     break;
 333             }
 334         } while (i < size);
 335     }
 336   }
 337 }