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