0136db840f7031e5142919e9b97561d94b57496d
[stockfish] / src / evaluate.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 #include <cassert>
23 #include <cstring>   // For std::memset
24 #include <iomanip>
25 #include <sstream>
26
27 #include "bitboard.h"
28 #include "evaluate.h"
29 #include "material.h"
30 #include "pawns.h"
31
32 namespace {
33
34   namespace Trace {
35
36     enum Term { // The first 8 entries are for PieceType
37       MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, TOTAL, TERM_NB
38     };
39
40     double scores[TERM_NB][COLOR_NB][PHASE_NB];
41
42     double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
43
44     void add(int idx, Color c, Score s) {
45       scores[idx][c][MG] = to_cp(mg_value(s));
46       scores[idx][c][EG] = to_cp(eg_value(s));
47     }
48
49     void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
50       add(idx, WHITE, w); add(idx, BLACK, b);
51     }
52
53     std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
54
55       if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == Term(PAWN) || t == TOTAL)
56           os << "  ---   --- |   ---   --- | ";
57       else
58           os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] << " "
59              << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] << " | "
60              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][MG] << " "
61              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][EG] << " | ";
62
63       os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] - scores[t][BLACK][MG] << " "
64          << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] - scores[t][BLACK][EG] << " \n";
65
66       return os;
67     }
68   }
69
70   using namespace Trace;
71
72   // Struct EvalInfo contains various information computed and collected
73   // by the evaluation functions.
74   struct EvalInfo {
75
76     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
77     // attacked by a given color and piece type (can be also ALL_PIECES).
78     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
79
80     // attackedBy2[color] are the squares attacked by 2 pieces of a given color,
81     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
82     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
83     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
84
85     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
86     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
87     // adjacent to the king, and the three (or two, for a king on an edge file)
88     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
89     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
90     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
91     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
92
93     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
94     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
95     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
96
97     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of the
98     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
99     // weights of the individual piece types are given by the elements in the
100     // KingAttackWeights array.
101     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
102
103     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks by the given
104     // color to squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack
105     // more than one square are counted multiple times. For instance, if there is
106     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
107     // to kingAdjacentZoneAttacksCount[WHITE].
108     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
109
110     Bitboard pinnedPieces[COLOR_NB];
111     Material::Entry* me;
112     Pawns::Entry* pi;
113   };
114
115   #define V(v) Value(v)
116   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
117
118   // MobilityBonus[PieceType][attacked] contains bonuses for middle and end
119   // game, indexed by piece type and number of attacked squares in the MobilityArea.
120   const Score MobilityBonus[][32] = {
121     {}, {},
122     { S(-75,-76), S(-56,-54), S( -9,-26), S( -2,-10), S(  6,  5), S( 15, 11), // Knights
123       S( 22, 26), S( 30, 28), S( 36, 29) },
124     { S(-48,-58), S(-21,-19), S( 16, -2), S( 26, 12), S( 37, 22), S( 51, 42), // Bishops
125       S( 54, 54), S( 63, 58), S( 65, 63), S( 71, 70), S( 79, 74), S( 81, 86),
126       S( 92, 90), S( 97, 94) },
127     { S(-56,-78), S(-25,-18), S(-11, 26), S( -5, 55), S( -4, 70), S( -1, 81), // Rooks
128       S(  8,109), S( 14,120), S( 21,128), S( 23,143), S( 31,154), S( 32,160),
129       S( 43,165), S( 49,168), S( 59,169) },
130     { S(-40,-35), S(-25,-12), S(  2,  7), S(  4, 19), S( 14, 37), S( 24, 55), // Queens
131       S( 25, 62), S( 40, 76), S( 43, 79), S( 47, 87), S( 54, 94), S( 56,102),
132       S( 60,111), S( 70,116), S( 72,118), S( 73,122), S( 75,128), S( 77,130),
133       S( 85,133), S( 94,136), S( 99,140), S(108,157), S(112,158), S(113,161),
134       S(118,174), S(119,177), S(123,191), S(128,199) }
135   };
136
137   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for knights and
138   // bishops outposts, bigger if outpost piece is supported by a pawn.
139   const Score Outpost[][2] = {
140     { S(43,11), S(65,20) }, // Knights
141     { S(20, 3), S(29, 8) }  // Bishops
142   };
143
144   // ReachableOutpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for
145   // knights and bishops which can reach an outpost square in one move, bigger
146   // if outpost square is supported by a pawn.
147   const Score ReachableOutpost[][2] = {
148     { S(21, 5), S(35, 8) }, // Knights
149     { S( 8, 0), S(14, 4) }  // Bishops
150   };
151
152   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is no
153   // friendly pawn on the rook file.
154   const Score RookOnFile[2] = { S(20, 7), S(45, 20) };
155
156   // ThreatBySafePawn[PieceType] contains bonuses according to which piece
157   // type is attacked by a pawn which is protected or is not attacked.
158   const Score ThreatBySafePawn[PIECE_TYPE_NB] = {
159     S(0, 0), S(0, 0), S(176, 139), S(131, 127), S(217, 218), S(203, 215)
160   };
161
162   // Threat[by minor/by rook][attacked PieceType] contains
163   // bonuses according to which piece type attacks which one.
164   // Attacks on lesser pieces which are pawn-defended are not considered.
165   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
166     { S(0, 0), S(0, 33), S(45, 43), S(46, 47), S(72,107), S(48,118) }, // by Minor
167     { S(0, 0), S(0, 25), S(40, 62), S(40, 59), S( 0, 34), S(35, 48) }  // by Rook
168   };
169
170   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for King attacks on
171   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
172   const Score ThreatByKing[2] = { S(3, 62), S(9, 138) };
173
174   // Passed[mg/eg][Rank] contains midgame and endgame bonuses for passed pawns.
175   // We don't use a Score because we process the two components independently.
176   const Value Passed[][RANK_NB] = {
177     { V(5), V( 5), V(31), V(73), V(166), V(252) },
178     { V(7), V(14), V(38), V(73), V(166), V(252) }
179   };
180
181   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
182   const Score PassedFile[FILE_NB] = {
183     S(  9, 10), S( 2, 10), S( 1, -8), S(-20,-12),
184     S(-20,-12), S( 1, -8), S( 2, 10), S( 9, 10)
185   };
186
187   // Assorted bonuses and penalties used by evaluation
188   const Score MinorBehindPawn     = S(16,  0);
189   const Score BishopPawns         = S( 8, 12);
190   const Score RookOnPawn          = S( 8, 24);
191   const Score TrappedRook         = S(92,  0);
192   const Score CloseEnemies        = S( 7,  0);
193   const Score SafeCheck           = S(20, 20);
194   const Score OtherCheck          = S(10, 10);
195   const Score ThreatByHangingPawn = S(71, 61);
196   const Score LooseEnemies        = S( 0, 25);
197   const Score WeakQueen           = S(50, 10);
198   const Score Hanging             = S(48, 27);
199   const Score ThreatByPawnPush    = S(38, 22);
200   const Score Unstoppable         = S( 0, 45);
201   const Score PawnlessFlank       = S(20, 80);
202   const Score HinderPassedPawn    = S( 7,  0);
203   const Score ThreatByRank        = S(16,  3);
204
205   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
206   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
207   // happen in Chess960 games.
208   const Score TrappedBishopA1H1 = S(50, 50);
209
210   #undef S
211   #undef V
212
213   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
214   const int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 78, 56, 45, 11 };
215
216   // Penalties for enemy's safe checks
217   const int QueenContactCheck = 997;
218   const int QueenCheck        = 695;
219   const int RookCheck         = 638;
220   const int BishopCheck       = 538;
221   const int KnightCheck       = 874;
222
223
224   // eval_init() initializes king and attack bitboards for a given color
225   // adding pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
226
227   template<Color Us>
228   void eval_init(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
229
230     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
231     const Square Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
232
233     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
234     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING];
235     ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] |= b;
236     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
237     ei.attackedBy2[Us] = ei.attackedBy[Us][PAWN] & ei.attackedBy[Us][KING];
238
239     // Init king safety tables only if we are going to use them
240     if (pos.non_pawn_material(Us) >= QueenValueMg)
241     {
242         ei.kingRing[Them] = b | shift<Down>(b);
243         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
244         ei.kingAttackersCount[Us] = popcount(b);
245         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
246     }
247     else
248         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
249   }
250
251
252   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given
253   // color and type.
254
255   template<bool DoTrace, Color Us = WHITE, PieceType Pt = KNIGHT>
256   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility,
257                         const Bitboard* mobilityArea) {
258     Bitboard b, bb;
259     Square s;
260     Score score = SCORE_ZERO;
261
262     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
263     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
264     const Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
265                                                : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
266     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
267
268     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
269
270     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
271     {
272         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
273         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
274           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
275                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
276
277         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
278             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
279
280         ei.attackedBy2[Us] |= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
281         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
282
283         if (b & ei.kingRing[Them])
284         {
285             ei.kingAttackersCount[Us]++;
286             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
287             ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount(b & ei.attackedBy[Them][KING]);
288         }
289
290         if (Pt == QUEEN)
291             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
292                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
293                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
294
295         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
296
297         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
298
299         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
300         {
301             // Bonus for outpost squares
302             bb = OutpostRanks & ~ei.pi->pawn_attacks_span(Them);
303             if (bb & s)
304                 score += Outpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & s)];
305             else
306             {
307                 bb &= b & ~pos.pieces(Us);
308                 if (bb)
309                    score += ReachableOutpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
310             }
311
312             // Bonus when behind a pawn
313             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
314                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
315                 score += MinorBehindPawn;
316
317             // Penalty for pawns on the same color square as the bishop
318             if (Pt == BISHOP)
319                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
320
321             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
322             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
323             // when that pawn is also blocked.
324             if (   Pt == BISHOP
325                 && pos.is_chess960()
326                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
327             {
328                 Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
329                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
330                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
331                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
332                                                                               : TrappedBishopA1H1;
333             }
334         }
335
336         if (Pt == ROOK)
337         {
338             // Bonus for aligning with enemy pawns on the same rank/file
339             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
340                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
341
342             // Bonus when on an open or semi-open file
343             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
344                 score += RookOnFile[!!ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s))];
345
346             // Penalize when trapped by the king, even more if the king cannot castle
347             else if (mob <= 3)
348             {
349                 Square ksq = pos.square<KING>(Us);
350
351                 if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
352                     && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
353                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
354             }
355         }
356
357         if (Pt == QUEEN)
358         {
359             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
360             Bitboard pinners;
361             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, pinners))
362                 score -= WeakQueen;
363         }
364     }
365
366     if (DoTrace)
367         Trace::add(Pt, Us, score);
368
369     // Recursively call evaluate_pieces() of next piece type until KING is excluded
370     return score - evaluate_pieces<DoTrace, Them, NextPt>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
371   }
372
373   template<>
374   Score evaluate_pieces<false, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
375   template<>
376   Score evaluate_pieces< true, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
377
378
379   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
380
381   const Bitboard WhiteCamp = Rank1BB | Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB | Rank5BB;
382   const Bitboard BlackCamp = Rank8BB | Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB | Rank4BB;
383   const Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
384   const Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
385   const Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
386
387   const Bitboard KingFlank[COLOR_NB][FILE_NB] = {
388     { QueenSide   & WhiteCamp, QueenSide & WhiteCamp, QueenSide & WhiteCamp, CenterFiles & WhiteCamp,
389       CenterFiles & WhiteCamp, KingSide  & WhiteCamp, KingSide  & WhiteCamp, KingSide    & WhiteCamp },
390     { QueenSide   & BlackCamp, QueenSide & BlackCamp, QueenSide & BlackCamp, CenterFiles & BlackCamp,
391       CenterFiles & BlackCamp, KingSide  & BlackCamp, KingSide  & BlackCamp, KingSide    & BlackCamp },
392   };
393
394   template<Color Us, bool DoTrace>
395   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
396
397     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
398     const Square  Up = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
399
400     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe, other;
401     int kingDanger;
402     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
403
404     // King shelter and enemy pawns storm
405     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
406
407     // Main king safety evaluation
408     if (ei.kingAttackersCount[Them])
409     {
410         // Find the attacked squares which are defended only by the king...
411         undefended =   ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
412                     &  ei.attackedBy[Us][KING]
413                     & ~ei.attackedBy2[Us];
414
415         // ... and those which are not defended at all in the larger king ring
416         b =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] & ~ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]
417            & ei.kingRing[Us] & ~pos.pieces(Them);
418
419         // Initialize the 'kingDanger' variable, which will be transformed
420         // later into a king danger score. The initial value is based on the
421         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
422         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
423         // the pawn shelter (current 'score' value).
424         kingDanger =  std::min(807, ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them])
425                     + 101 * ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them]
426                     + 235 * popcount(undefended)
427                     + 134 * (popcount(b) + !!ei.pinnedPieces[Us])
428                     - 717 * !pos.count<QUEEN>(Them)
429                     -   7 * mg_value(score) / 5 - 5;
430
431         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
432         // undefended squares around the king reachable by the enemy queen...
433         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
434
435         // ...and keep squares supported by another enemy piece
436         kingDanger += QueenContactCheck * popcount(b & ei.attackedBy2[Them]);
437
438         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move...
439         safe  = ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
440
441         // ... and some other potential checks, only requiring the square to be
442         // safe from pawn-attacks, and not being occupied by a blocked pawn.
443         other = ~(   ei.attackedBy[Us][PAWN]
444                   | (pos.pieces(Them, PAWN) & shift<Up>(pos.pieces(PAWN))));
445
446         b1 = pos.attacks_from<ROOK  >(ksq);
447         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq);
448
449         // Enemy queen safe checks
450         if ((b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & safe)
451             kingDanger += QueenCheck, score -= SafeCheck;
452
453         // For other pieces, also consider the square safe if attacked twice,
454         // and only defended by a queen.
455         safe |=  ei.attackedBy2[Them]
456                & ~(ei.attackedBy2[Us] | pos.pieces(Them))
457                & ei.attackedBy[Us][QUEEN];
458
459         // Enemy rooks safe and other checks
460         if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & safe)
461             kingDanger += RookCheck, score -= SafeCheck;
462
463         else if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & other)
464             score -= OtherCheck;
465
466         // Enemy bishops safe and other checks
467         if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & safe)
468             kingDanger += BishopCheck, score -= SafeCheck;
469
470         else if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & other)
471             score -= OtherCheck;
472
473         // Enemy knights safe and other checks
474         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT];
475         if (b & safe)
476             kingDanger += KnightCheck, score -= SafeCheck;
477
478         else if (b & other)
479             score -= OtherCheck;
480
481         // Compute the king danger score and subtract it from the evaluation
482         if (kingDanger > 0)
483             score -= make_score(std::min(kingDanger * kingDanger / 4096,  2 * int(BishopValueMg)), 0);
484     }
485
486     // King tropism: firstly, find squares that opponent attacks in our king flank
487     File kf = file_of(ksq);
488     b = ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[Us][kf];
489
490     assert(((Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4) & b) == 0);
491     assert(popcount(Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4) == popcount(b));
492
493     // Secondly, add the squares which are attacked twice in that flank and
494     // which are not defended by our pawns.
495     b =  (Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4)
496        | (b & ei.attackedBy2[Them] & ~ei.attackedBy[Us][PAWN]);
497
498     score -= CloseEnemies * popcount(b);
499
500     // Penalty when our king is on a pawnless flank
501     if (!(pos.pieces(PAWN) & (KingFlank[WHITE][kf] | KingFlank[BLACK][kf])))
502         score -= PawnlessFlank;
503
504     if (DoTrace)
505         Trace::add(KING, Us, score);
506
507     return score;
508   }
509
510
511   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the types of the attacking
512   // and the attacked pieces.
513
514   template<Color Us, bool DoTrace>
515   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
516
517     const Color Them        = (Us == WHITE ? BLACK      : WHITE);
518     const Square Up         = (Us == WHITE ? NORTH      : SOUTH);
519     const Square Left       = (Us == WHITE ? NORTH_WEST : SOUTH_EAST);
520     const Square Right      = (Us == WHITE ? NORTH_EAST : SOUTH_WEST);
521     const Bitboard TRank2BB = (Us == WHITE ? Rank2BB    : Rank7BB);
522     const Bitboard TRank7BB = (Us == WHITE ? Rank7BB    : Rank2BB);
523
524     enum { Minor, Rook };
525
526     Bitboard b, weak, defended, safeThreats;
527     Score score = SCORE_ZERO;
528
529     // Small bonus if the opponent has loose pawns or pieces
530     if (   (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, QUEEN, KING))
531         & ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]))
532         score += LooseEnemies;
533
534     // Non-pawn enemies attacked by a pawn
535     weak = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Us][PAWN];
536
537     if (weak)
538     {
539         b = pos.pieces(Us, PAWN) & ( ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
540                                     | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
541
542         safeThreats = (shift<Right>(b) | shift<Left>(b)) & weak;
543
544         if (weak ^ safeThreats)
545             score += ThreatByHangingPawn;
546
547         while (safeThreats)
548             score += ThreatBySafePawn[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&safeThreats)))];
549     }
550
551     // Non-pawn enemies defended by a pawn
552     defended = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Them][PAWN];
553
554     // Enemies not defended by a pawn and under our attack
555     weak =   pos.pieces(Them)
556           & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
557           &  ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
558
559     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
560     if (defended | weak)
561     {
562         b = (defended | weak) & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
563         while (b)
564         {
565             Square s = pop_lsb(&b);
566             score += Threat[Minor][type_of(pos.piece_on(s))];
567             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
568                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
569         }
570
571         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & ei.attackedBy[Us][ROOK];
572         while (b)
573         {
574             Square s = pop_lsb(&b);
575             score += Threat[Rook][type_of(pos.piece_on(s))];
576             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
577                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
578         }
579
580         score += Hanging * popcount(weak & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
581
582         b = weak & ei.attackedBy[Us][KING];
583         if (b)
584             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
585     }
586
587     // Bonus if some pawns can safely push and attack an enemy piece
588     b = pos.pieces(Us, PAWN) & ~TRank7BB;
589     b = shift<Up>(b | (shift<Up>(b & TRank2BB) & ~pos.pieces()));
590
591     b &=  ~pos.pieces()
592         & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
593         & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
594
595     b =  (shift<Left>(b) | shift<Right>(b))
596        &  pos.pieces(Them)
597        & ~ei.attackedBy[Us][PAWN];
598
599     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
600
601     if (DoTrace)
602         Trace::add(THREAT, Us, score);
603
604     return score;
605   }
606
607
608   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
609
610   template<Color Us, bool DoTrace>
611   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
612
613     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
614
615     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
616     Score score = SCORE_ZERO;
617
618     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
619
620     while (b)
621     {
622         Square s = pop_lsb(&b);
623
624         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
625         assert(!(pos.pieces(PAWN) & forward_bb(Us, s)));
626
627         bb = forward_bb(Us, s) & (ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
628         score -= HinderPassedPawn * popcount(bb);
629
630         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
631         int rr = r * (r - 1);
632
633         Value mbonus = Passed[MG][r], ebonus = Passed[EG][r];
634
635         if (rr)
636         {
637             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
638
639             // Adjust bonus based on the king's proximity
640             ebonus +=  distance(pos.square<KING>(Them), blockSq) * 5 * rr
641                      - distance(pos.square<KING>(Us  ), blockSq) * 2 * rr;
642
643             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
644             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
645                 ebonus -= distance(pos.square<KING>(Us), blockSq + pawn_push(Us)) * rr;
646
647             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
648             if (pos.empty(blockSq))
649             {
650                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
651                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
652                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
653                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
654
655                 bb = forward_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
656
657                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
658                     defendedSquares &= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
659
660                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
661                     unsafeSquares &= ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
662
663                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
664                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
665                 int k = !unsafeSquares ? 18 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 8 : 0;
666
667                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
668                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
669                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
670                     k += 6;
671
672                 else if (defendedSquares & blockSq)
673                     k += 4;
674
675                 mbonus += k * rr, ebonus += k * rr;
676             }
677             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
678                 mbonus += rr + r * 2, ebonus += rr + r * 2;
679         } // rr != 0
680
681         score += make_score(mbonus, ebonus) + PassedFile[file_of(s)];
682     }
683
684     if (DoTrace)
685         Trace::add(PASSED, Us, score);
686
687     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
688     return score;
689   }
690
691
692   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
693   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
694   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
695   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
696   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
697   // improve play on game opening.
698   template<Color Us>
699   Score evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
700
701     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
702     const Bitboard SpaceMask =
703       Us == WHITE ? (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
704                   : (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
705
706     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
707     // SpaceMask. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
708     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
709     Bitboard safe =   SpaceMask
710                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
711                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
712                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
713
714     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
715     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
716     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
717     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
718
719     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board...
720     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
721
722     // ...count safe + (behind & safe) with a single popcount
723     int bonus = popcount((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
724     bonus = std::min(16, bonus);
725     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * ei.pi->open_files();
726
727     return make_score(bonus * weight * weight / 18, 0);
728   }
729
730
731   // evaluate_initiative() computes the initiative correction value for the
732   // position, i.e., second order bonus/malus based on the known attacking/defending
733   // status of the players.
734   Score evaluate_initiative(const Position& pos, int asymmetry, Value eg) {
735
736     int kingDistance =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
737                       - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
738     int pawns = pos.count<PAWN>(WHITE) + pos.count<PAWN>(BLACK);
739
740     // Compute the initiative bonus for the attacking side
741     int initiative = 8 * (asymmetry + kingDistance - 15) + 12 * pawns;
742
743     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
744     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
745     // that the endgame score will never be divided by more than two.
746     int value = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(initiative, -abs(eg / 2));
747
748     return make_score(0, value);
749   }
750
751
752   // evaluate_scale_factor() computes the scale factor for the winning side
753   ScaleFactor evaluate_scale_factor(const Position& pos, const EvalInfo& ei, Value eg) {
754
755     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
756     ScaleFactor sf = ei.me->scale_factor(pos, strongSide);
757
758     // If we don't already have an unusual scale factor, check for certain
759     // types of endgames, and use a lower scale for those.
760     if (    ei.me->game_phase() < PHASE_MIDGAME
761         && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
762     {
763         if (pos.opposite_bishops())
764         {
765             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces (ignoring pawns)
766             // is almost a draw, in case of KBP vs KB, it is even more a draw.
767             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
768                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
769                 sf = more_than_one(pos.pieces(PAWN)) ? ScaleFactor(31) : ScaleFactor(9);
770
771             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
772             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
773             else
774                 sf = ScaleFactor(46);
775         }
776         // Endings where weaker side can place his king in front of the opponent's
777         // pawns are drawish.
778         else if (    abs(eg) <= BishopValueEg
779                  &&  pos.count<PAWN>(strongSide) <= 2
780                  && !pos.pawn_passed(~strongSide, pos.square<KING>(~strongSide)))
781             sf = ScaleFactor(37 + 7 * pos.count<PAWN>(strongSide));
782     }
783
784     return sf;
785   }
786
787 } // namespace
788
789
790 /// evaluate() is the main evaluation function. It returns a static evaluation
791 /// of the position from the point of view of the side to move.
792
793 template<bool DoTrace>
794 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
795
796   assert(!pos.checkers());
797
798   Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
799   EvalInfo ei;
800
801   // Probe the material hash table
802   ei.me = Material::probe(pos);
803
804   // If we have a specialized evaluation function for the current material
805   // configuration, call it and return.
806   if (ei.me->specialized_eval_exists())
807       return ei.me->evaluate(pos);
808
809   // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
810   // the position object (material + piece square tables) and the material
811   // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
812   Score score = pos.psq_score() + ei.me->imbalance();
813
814   // Probe the pawn hash table
815   ei.pi = Pawns::probe(pos);
816   score += ei.pi->pawns_score();
817
818   // Initialize attack and king safety bitboards
819   ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] = 0;
820   ei.attackedBy[WHITE][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(WHITE));
821   ei.attackedBy[BLACK][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(BLACK));
822   eval_init<WHITE>(pos, ei);
823   eval_init<BLACK>(pos, ei);
824
825   // Pawns blocked or on ranks 2 and 3 will be excluded from the mobility area
826   Bitboard blockedPawns[] = {
827     pos.pieces(WHITE, PAWN) & (shift<SOUTH>(pos.pieces()) | Rank2BB | Rank3BB),
828     pos.pieces(BLACK, PAWN) & (shift<NORTH>(pos.pieces()) | Rank7BB | Rank6BB)
829   };
830
831   // Do not include in mobility area squares protected by enemy pawns, or occupied
832   // by our blocked pawns or king.
833   Bitboard mobilityArea[] = {
834     ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | blockedPawns[WHITE] | pos.square<KING>(WHITE)),
835     ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | blockedPawns[BLACK] | pos.square<KING>(BLACK))
836   };
837
838   // Evaluate all pieces but king and pawns
839   score += evaluate_pieces<DoTrace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
840   score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
841
842   // Evaluate kings after all other pieces because we need full attack
843   // information when computing the king safety evaluation.
844   score +=  evaluate_king<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
845           - evaluate_king<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
846
847   // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
848   score +=  evaluate_threats<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
849           - evaluate_threats<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
850
851   // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
852   score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
853           - evaluate_passed_pawns<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
854
855   // If both sides have only pawns, score for potential unstoppable pawns
856   if (!pos.non_pawn_material(WHITE) && !pos.non_pawn_material(BLACK))
857   {
858       if (ei.pi->passed_pawns(WHITE))
859           score += Unstoppable;
860
861       if (ei.pi->passed_pawns(BLACK))
862           score -= Unstoppable;
863   }
864
865   // Evaluate space for both sides, only during opening
866   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >= 12222)
867       score +=  evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
868               - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
869
870   // Evaluate position potential for the winning side
871   score += evaluate_initiative(pos, ei.pi->pawn_asymmetry(), eg_value(score));
872
873   // Evaluate scale factor for the winning side
874   ScaleFactor sf = evaluate_scale_factor(pos, ei, eg_value(score));
875
876   // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
877   Value v =  mg_value(score) * int(ei.me->game_phase())
878            + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - ei.me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
879
880   v /= int(PHASE_MIDGAME);
881
882   // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
883   if (DoTrace)
884   {
885       Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
886       Trace::add(IMBALANCE, ei.me->imbalance());
887       Trace::add(PAWN, ei.pi->pawns_score());
888       Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
889       if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >= 12222)
890           Trace::add(SPACE, evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
891                           , evaluate_space<BLACK>(pos, ei));
892       Trace::add(TOTAL, score);
893   }
894
895   return (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Eval::Tempo; // Side to move point of view
896 }
897
898 // Explicit template instantiations
899 template Value Eval::evaluate<true >(const Position&);
900 template Value Eval::evaluate<false>(const Position&);
901
902
903 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
904 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
905 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
906
907 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
908
909   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
910
911   Value v = evaluate<true>(pos);
912   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
913
914   std::stringstream ss;
915   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
916      << "      Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
917      << "                |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
918      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
919      << "       Material | " << Term(MATERIAL)
920      << "      Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
921      << "          Pawns | " << Term(PAWN)
922      << "        Knights | " << Term(KNIGHT)
923      << "         Bishop | " << Term(BISHOP)
924      << "          Rooks | " << Term(ROOK)
925      << "         Queens | " << Term(QUEEN)
926      << "       Mobility | " << Term(MOBILITY)
927      << "    King safety | " << Term(KING)
928      << "        Threats | " << Term(THREAT)
929      << "   Passed pawns | " << Term(PASSED)
930      << "          Space | " << Term(SPACE)
931      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
932      << "          Total | " << Term(TOTAL);
933
934   ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
935
936   return ss.str();
937 }