Rename shift_bb() to shift()
[stockfish] / 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) 2015-2016 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 StepAttacksBB[PIECE_NB][SQUARE_NB];
45 Bitboard BetweenBB[SQUARE_NB][SQUARE_NB];
46 Bitboard LineBB[SQUARE_NB][SQUARE_NB];
47 Bitboard DistanceRingBB[SQUARE_NB][8];
48 Bitboard ForwardBB[COLOR_NB][SQUARE_NB];
49 Bitboard PassedPawnMask[COLOR_NB][SQUARE_NB];
50 Bitboard PawnAttackSpan[COLOR_NB][SQUARE_NB];
51 Bitboard PseudoAttacks[PIECE_TYPE_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[][9] = { {}, { 7, 9 }, { 17, 15, 10, 6, -6, -10, -15, -17 },
195                      {}, {}, {}, { 9, 7, -7, -9, 8, 1, -1, -8 } };
196
197   for (Color c = WHITE; c <= BLACK; ++c)
198       for (PieceType pt = PAWN; pt <= KING; ++pt)
199           for (Square s = SQ_A1; s <= SQ_H8; ++s)
200               for (int i = 0; steps[pt][i]; ++i)
201               {
202                   Square to = s + Square(c == WHITE ? steps[pt][i] : -steps[pt][i]);
203
204                   if (is_ok(to) && distance(s, to) < 3)
205                       StepAttacksBB[make_piece(c, pt)][s] |= to;
206               }
207
208   Square RookDeltas[] = { NORTH,  EAST,  SOUTH,  WEST  };
209   Square BishopDeltas[] = { NORTH_EAST, SOUTH_EAST, SOUTH_WEST, NORTH_WEST };
210
211   init_magics(RookTable, RookAttacks, RookMagics, RookMasks, RookShifts, RookDeltas, magic_index<ROOK>);
212   init_magics(BishopTable, BishopAttacks, BishopMagics, BishopMasks, BishopShifts, BishopDeltas, magic_index<BISHOP>);
213
214   for (Square s1 = SQ_A1; s1 <= SQ_H8; ++s1)
215   {
216       PseudoAttacks[QUEEN][s1]  = PseudoAttacks[BISHOP][s1] = attacks_bb<BISHOP>(s1, 0);
217       PseudoAttacks[QUEEN][s1] |= PseudoAttacks[  ROOK][s1] = attacks_bb<  ROOK>(s1, 0);
218
219       for (Piece pc = W_BISHOP; pc <= W_ROOK; ++pc)
220           for (Square s2 = SQ_A1; s2 <= SQ_H8; ++s2)
221           {
222               if (!(PseudoAttacks[pc][s1] & s2))
223                   continue;
224
225               LineBB[s1][s2] = (attacks_bb(pc, s1, 0) & attacks_bb(pc, s2, 0)) | s1 | s2;
226               BetweenBB[s1][s2] = attacks_bb(pc, s1, SquareBB[s2]) & attacks_bb(pc, s2, SquareBB[s1]);
227           }
228   }
229 }
230
231
232 namespace {
233
234   Bitboard sliding_attack(Square deltas[], Square sq, Bitboard occupied) {
235
236     Bitboard attack = 0;
237
238     for (int i = 0; i < 4; ++i)
239         for (Square s = sq + deltas[i];
240              is_ok(s) && distance(s, s - deltas[i]) == 1;
241              s += deltas[i])
242         {
243             attack |= s;
244
245             if (occupied & s)
246                 break;
247         }
248
249     return attack;
250   }
251
252
253   // init_magics() computes all rook and bishop attacks at startup. Magic
254   // bitboards are used to look up attacks of sliding pieces. As a reference see
255   // chessprogramming.wikispaces.com/Magic+Bitboards. In particular, here we
256   // use the so called "fancy" approach.
257
258   void init_magics(Bitboard table[], Bitboard* attacks[], Bitboard magics[],
259                    Bitboard masks[], unsigned shifts[], Square deltas[], Fn index) {
260
261     int seeds[][RANK_NB] = { { 8977, 44560, 54343, 38998,  5731, 95205, 104912, 17020 },
262                              {  728, 10316, 55013, 32803, 12281, 15100,  16645,   255 } };
263
264     Bitboard occupancy[4096], reference[4096], edges, b;
265     int age[4096] = {0}, current = 0, i, size;
266
267     // attacks[s] is a pointer to the beginning of the attacks table for square 's'
268     attacks[SQ_A1] = table;
269
270     for (Square s = SQ_A1; s <= SQ_H8; ++s)
271     {
272         // Board edges are not considered in the relevant occupancies
273         edges = ((Rank1BB | Rank8BB) & ~rank_bb(s)) | ((FileABB | FileHBB) & ~file_bb(s));
274
275         // Given a square 's', the mask is the bitboard of sliding attacks from
276         // 's' computed on an empty board. The index must be big enough to contain
277         // all the attacks for each possible subset of the mask and so is 2 power
278         // the number of 1s of the mask. Hence we deduce the size of the shift to
279         // apply to the 64 or 32 bits word to get the index.
280         masks[s]  = sliding_attack(deltas, s, 0) & ~edges;
281         shifts[s] = (Is64Bit ? 64 : 32) - popcount(masks[s]);
282
283         // Use Carry-Rippler trick to enumerate all subsets of masks[s] and
284         // store the corresponding sliding attack bitboard in reference[].
285         b = size = 0;
286         do {
287             occupancy[size] = b;
288             reference[size] = sliding_attack(deltas, s, b);
289
290             if (HasPext)
291                 attacks[s][pext(b, masks[s])] = reference[size];
292
293             size++;
294             b = (b - masks[s]) & masks[s];
295         } while (b);
296
297         // Set the offset for the table of the next square. We have individual
298         // table sizes for each square with "Fancy Magic Bitboards".
299         if (s < SQ_H8)
300             attacks[s + 1] = attacks[s] + size;
301
302         if (HasPext)
303             continue;
304
305         PRNG rng(seeds[Is64Bit][rank_of(s)]);
306
307         // Find a magic for square 's' picking up an (almost) random number
308         // until we find the one that passes the verification test.
309         do {
310             do
311                 magics[s] = rng.sparse_rand<Bitboard>();
312             while (popcount((magics[s] * masks[s]) >> 56) < 6);
313
314             // A good magic must map every possible occupancy to an index that
315             // looks up the correct sliding attack in the attacks[s] database.
316             // Note that we build up the database for square 's' as a side
317             // effect of verifying the magic.
318             for (++current, i = 0; i < size; ++i)
319             {
320                 unsigned idx = index(s, occupancy[i]);
321
322                 if (age[idx] < current)
323                 {
324                     age[idx] = current;
325                     attacks[s][idx] = reference[i];
326                 }
327                 else if (attacks[s][idx] != reference[i])
328                     break;
329             }
330         } while (i < size);
331     }
332   }
333 }