297d8c65070c0118d71e4a54f819dcf72e19e6d5
[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) 2015-2018 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 #include "thread.h"
32
33 namespace Trace {
34
35   enum Tracing { NO_TRACE, TRACE };
36
37   enum Term { // The first 8 entries are reserved for PieceType
38     MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, INITIATIVE, TOTAL, TERM_NB
39   };
40
41   Score scores[TERM_NB][COLOR_NB];
42
43   double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
44
45   void add(int idx, Color c, Score s) {
46     scores[idx][c] = s;
47   }
48
49   void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
50     scores[idx][WHITE] = w;
51     scores[idx][BLACK] = b;
52   }
53
54   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Score s) {
55     os << std::setw(5) << to_cp(mg_value(s)) << " "
56        << std::setw(5) << to_cp(eg_value(s));
57     return os;
58   }
59
60   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
61
62     if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == INITIATIVE || t == TOTAL)
63         os << " ----  ----"    << " | " << " ----  ----";
64     else
65         os << scores[t][WHITE] << " | " << scores[t][BLACK];
66
67     os << " | " << scores[t][WHITE] - scores[t][BLACK] << "\n";
68     return os;
69   }
70 }
71
72 using namespace Trace;
73
74 namespace {
75
76   constexpr Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
77   constexpr Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
78   constexpr Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
79   constexpr Bitboard Center      = (FileDBB | FileEBB) & (Rank4BB | Rank5BB);
80
81   constexpr Bitboard KingFlank[FILE_NB] = {
82     QueenSide ^ FileDBB, QueenSide, QueenSide,
83     CenterFiles, CenterFiles,
84     KingSide, KingSide, KingSide ^ FileEBB
85   };
86
87   // Threshold for lazy and space evaluation
88   constexpr Value LazyThreshold  = Value(1500);
89   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
90
91   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
92   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 77, 55, 44, 10 };
93
94   // Penalties for enemy's safe checks
95   constexpr int QueenSafeCheck  = 780;
96   constexpr int RookSafeCheck   = 880;
97   constexpr int BishopSafeCheck = 435;
98   constexpr int KnightSafeCheck = 790;
99
100 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
101
102   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
103   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
104   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
105     { S(-62,-81), S(-53,-56), S(-12,-30), S( -4,-14), S(  3,  8), S( 13, 15), // Knights
106       S( 22, 23), S( 28, 27), S( 33, 33) },
107     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
108       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
109       S( 91, 88), S( 98, 97) },
110     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
111       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
112       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
113     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
114       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
115       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
116       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
117       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
118   };
119
120   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for minor
121   // pieces if they occupy or can reach an outpost square, bigger if that
122   // square is supported by a pawn.
123   constexpr Score Outpost[][2] = {
124     { S(22, 6), S(36,12) }, // Knight
125     { S( 9, 2), S(15, 5) }  // Bishop
126   };
127
128   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
129   // no (friendly) pawn on the rook file.
130   constexpr Score RookOnFile[] = { S(18, 7), S(44, 20) };
131
132   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
133   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
134   // pawn-defended are not considered.
135   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
136     S(0, 0), S(0, 31), S(39, 42), S(57, 44), S(68, 112), S(62, 120)
137   };
138
139   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
140     S(0, 0), S(0, 24), S(38, 71), S(38, 61), S(0, 38), S(51, 38)
141   };
142
143   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
144   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
145     S(0, 0), S(5, 18), S(12, 23), S(10, 31), S(57, 62), S(163, 167), S(271, 250)
146   };
147
148   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
149   constexpr Score PassedFile[FILE_NB] = {
150     S( -1,  7), S( 0,  9), S(-9, -8), S(-30,-14),
151     S(-30,-14), S(-9, -8), S( 0,  9), S( -1,  7)
152   };
153
154   // Assorted bonuses and penalties
155   constexpr Score BishopPawns        = S(  3,  7);
156   constexpr Score CloseEnemies       = S(  6,  0);
157   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
158   constexpr Score Hanging            = S( 57, 32);
159   constexpr Score KingProtector      = S(  6,  6);
160   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 21, 11);
161   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 46,  0);
162   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 16,  0);
163   constexpr Score Overload           = S( 13,  6);
164   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 19, 84);
165   constexpr Score RookOnPawn         = S( 10, 29);
166   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 42, 21);
167   constexpr Score ThreatByKing       = S( 22, 78);
168   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 45, 40);
169   constexpr Score ThreatByRank       = S( 16,  3);
170   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(173,102);
171   constexpr Score TrappedRook        = S( 96,  5);
172   constexpr Score WeakQueen          = S( 50, 10);
173   constexpr Score WeakUnopposedPawn  = S( 15, 19);
174
175 #undef S
176
177   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
178   template<Tracing T>
179   class Evaluation {
180
181   public:
182     Evaluation() = delete;
183     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
184     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
185     Value value();
186
187   private:
188     template<Color Us> void initialize();
189     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
190     template<Color Us> Score king() const;
191     template<Color Us> Score threats() const;
192     template<Color Us> Score passed() const;
193     template<Color Us> Score space() const;
194     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
195     Score initiative(Value eg) const;
196
197     const Position& pos;
198     Material::Entry* me;
199     Pawns::Entry* pe;
200     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
201     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
202
203     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
204     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
205     // is also calculated is ALL_PIECES.
206     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
207
208     // attackedBy2[color] are the squares attacked by 2 pieces of a given color,
209     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
210     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
211     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
212
213     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king, plus (only for a
214     // king on its first rank) the squares two ranks in front. For instance,
215     // if black's king is on g8, kingRing[BLACK] is f8, h8, f7, g7, h7, f6, g6
216     // and h6. It is set to 0 when king safety evaluation is skipped.
217     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
218
219     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
220     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
221     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
222
223     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
224     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
225     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
226     // the KingAttackWeights array.
227     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
228
229     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
230     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
231     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
232     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
233     // to kingAttacksCount[WHITE].
234     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
235   };
236
237
238   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
239   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
240   template<Tracing T> template<Color Us>
241   void Evaluation<T>::initialize() {
242
243     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
244     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
245     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
246     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB: Rank7BB | Rank6BB);
247
248     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
249     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
250
251     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen, or controlled by enemy pawns
252     // are excluded from the mobility area.
253     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
254
255     // Initialise attackedBy bitboards for kings and pawns
256     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(Us));
257     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
258     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
259     attackedBy2[Us]            = attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN];
260     kingRing[Us] = kingAttackersCount[Them] = 0;
261
262     // Init our king safety tables only if we are going to use them
263     if (pos.non_pawn_material(Them) >= RookValueMg + KnightValueMg)
264     {
265         kingRing[Us] = attackedBy[Us][KING];
266         if (relative_rank(Us, pos.square<KING>(Us)) == RANK_1)
267             kingRing[Us] |= shift<Up>(kingRing[Us]);
268
269         if (file_of(pos.square<KING>(Us)) == FILE_H)
270             kingRing[Us] |= shift<WEST>(kingRing[Us]);
271
272         else if (file_of(pos.square<KING>(Us)) == FILE_A)
273             kingRing[Us] |= shift<EAST>(kingRing[Us]);
274
275         kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
276         kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
277     }
278   }
279
280
281   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
282   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
283   Score Evaluation<T>::pieces() {
284
285     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
286     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
287     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
288                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
289     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
290
291     Bitboard b, bb;
292     Square s;
293     Score score = SCORE_ZERO;
294
295     attackedBy[Us][Pt] = 0;
296
297     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
298     {
299         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
300         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
301           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
302                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
303
304         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
305             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
306
307         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
308         attackedBy[Us][Pt] |= b;
309         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
310
311         if (b & kingRing[Them])
312         {
313             kingAttackersCount[Us]++;
314             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
315             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
316         }
317
318         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
319
320         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
321
322         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
323         {
324             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
325             bb = OutpostRanks & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
326             if (bb & s)
327                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & s)] * 2;
328
329             else if (bb &= b & ~pos.pieces(Us))
330                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
331
332             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
333             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
334                 score += MinorBehindPawn;
335
336             // Penalty if the piece is far from the king
337             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
338
339             if (Pt == BISHOP)
340             {
341                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
342                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
343                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
344
345                 score -= BishopPawns * pe->pawns_on_same_color_squares(Us, s)
346                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
347
348                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
349                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
350                     score += LongDiagonalBishop;
351             }
352
353             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
354             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
355             // when that pawn is also blocked.
356             if (   Pt == BISHOP
357                 && pos.is_chess960()
358                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
359             {
360                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
361                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
362                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
363                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
364                                                                               : CorneredBishop;
365             }
366         }
367
368         if (Pt == ROOK)
369         {
370             // Bonus for aligning rook with enemy pawns on the same rank/file
371             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
372                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
373
374             // Bonus for rook on an open or semi-open file
375             if (pe->semiopen_file(Us, file_of(s)))
376                 score += RookOnFile[bool(pe->semiopen_file(Them, file_of(s)))];
377
378             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
379             else if (mob <= 3)
380             {
381                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
382                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
383                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
384             }
385         }
386
387         if (Pt == QUEEN)
388         {
389             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
390             Bitboard queenPinners;
391             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
392                 score -= WeakQueen;
393         }
394     }
395     if (T)
396         Trace::add(Pt, Us, score);
397
398     return score;
399   }
400
401
402   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
403   template<Tracing T> template<Color Us>
404   Score Evaluation<T>::king() const {
405
406     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
407     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
408                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
409
410     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
411     Bitboard kingFlank, weak, b, b1, b2, safe, unsafeChecks;
412
413     // King shelter and enemy pawns storm
414     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
415
416     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
417     // which are attacked twice in that flank.
418     kingFlank = KingFlank[file_of(ksq)];
419     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & kingFlank & Camp;
420     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
421
422     int tropism = popcount(b1) + popcount(b2);
423
424     // Main king safety evaluation
425     if (kingAttackersCount[Them] > 1 - pos.count<QUEEN>(Them))
426     {
427         int kingDanger = 0;
428         unsafeChecks = 0;
429
430         // Attacked squares defended at most once by our queen or king
431         weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
432               & ~attackedBy2[Us]
433               & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
434
435         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
436         safe  = ~pos.pieces(Them);
437         safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
438
439         b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
440         b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
441
442         // Enemy queen safe checks
443         if ((b1 | b2) & attackedBy[Them][QUEEN] & safe & ~attackedBy[Us][QUEEN])
444             kingDanger += QueenSafeCheck;
445
446         b1 &= attackedBy[Them][ROOK];
447         b2 &= attackedBy[Them][BISHOP];
448
449         // Enemy rooks checks
450         if (b1 & safe)
451             kingDanger += RookSafeCheck;
452         else
453             unsafeChecks |= b1;
454
455         // Enemy bishops checks
456         if (b2 & safe)
457             kingDanger += BishopSafeCheck;
458         else
459             unsafeChecks |= b2;
460
461         // Enemy knights checks
462         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
463         if (b & safe)
464             kingDanger += KnightSafeCheck;
465         else
466             unsafeChecks |= b;
467
468         // Unsafe or occupied checking squares will also be considered, as long as
469         // the square is in the attacker's mobility area.
470         unsafeChecks &= mobilityArea[Them];
471
472         kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
473                      +  69 * kingAttacksCount[Them]
474                      + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
475                      + 150 * popcount(pos.blockers_for_king(Us) | unsafeChecks)
476                      +   4 * tropism
477                      - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
478                      -   6 * mg_value(score) / 8
479                      +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
480                      -   30;
481
482         // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
483         if (kingDanger > 0)
484             score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
485     }
486
487     // Penalty when our king is on a pawnless flank
488     if (!(pos.pieces(PAWN) & kingFlank))
489         score -= PawnlessFlank;
490
491     // King tropism bonus, to anticipate slow motion attacks on our king
492     score -= CloseEnemies * tropism;
493
494     if (T)
495         Trace::add(KING, Us, score);
496
497     return score;
498   }
499
500
501   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
502   // attacking and the attacked pieces.
503   template<Tracing T> template<Color Us>
504   Score Evaluation<T>::threats() const {
505
506     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
507     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
508     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
509
510     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
511     Score score = SCORE_ZERO;
512
513     // Non-pawn enemies
514     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN);
515
516     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
517     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
518     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
519                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
520
521     // Non-pawn enemies, strongly protected
522     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
523
524     // Enemies not strongly protected and under our attack
525     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
526
527     // Safe or protected squares
528     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
529
530     // Bonus according to the kind of attacking pieces
531     if (defended | weak)
532     {
533         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
534         while (b)
535         {
536             Square s = pop_lsb(&b);
537             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
538             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
539                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
540         }
541
542         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
543         while (b)
544         {
545             Square s = pop_lsb(&b);
546             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
547             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
548                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
549         }
550
551         if (weak & attackedBy[Us][KING])
552             score += ThreatByKing;
553
554         score += Hanging * popcount(weak & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
555
556         b = weak & nonPawnEnemies & attackedBy[Them][ALL_PIECES];
557         score += Overload * popcount(b);
558     }
559
560     // Bonus for enemy unopposed weak pawns
561     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
562         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
563
564     // Find squares where our pawns can push on the next move
565     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
566     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
567
568     // Keep only the squares which are relatively safe
569     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
570
571     // Bonus for safe pawn threats on the next move
572     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & pos.pieces(Them);
573     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
574
575     // Our safe or protected pawns
576     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
577
578     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
579     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
580
581     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
582     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
583     {
584         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
585         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
586
587         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
588
589         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
590
591         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
592            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
593
594         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
595     }
596
597     if (T)
598         Trace::add(THREAT, Us, score);
599
600     return score;
601   }
602
603   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
604   // pawns of the given color.
605
606   template<Tracing T> template<Color Us>
607   Score Evaluation<T>::passed() const {
608
609     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
610     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
611
612     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
613       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
614     };
615
616     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
617     Score score = SCORE_ZERO;
618
619     b = pe->passed_pawns(Us);
620
621     while (b)
622     {
623         Square s = pop_lsb(&b);
624
625         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
626
627         int r = relative_rank(Us, s);
628
629         Score bonus = PassedRank[r];
630
631         if (r > RANK_3)
632         {
633             int w = (r-2) * (r-2) + 2;
634             Square blockSq = s + Up;
635
636             // Adjust bonus based on the king's proximity
637             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
638                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
639
640             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
641             if (r != RANK_7)
642                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
643
644             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
645             if (pos.empty(blockSq))
646             {
647                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
648                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
649                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
650                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
651
652                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
653
654                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
655                     defendedSquares &= attackedBy[Us][ALL_PIECES];
656
657                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
658                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
659
660                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
661                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
662                 int k = !unsafeSquares ? 20 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
663
664                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
665                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
666                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
667                     k += 6;
668
669                 else if (defendedSquares & blockSq)
670                     k += 4;
671
672                 bonus += make_score(k * w, k * w);
673             }
674         } // rank > RANK_3
675
676         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
677         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
678         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
679             || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
680             bonus = bonus / 2;
681
682         score += bonus + PassedFile[file_of(s)];
683     }
684
685     if (T)
686         Trace::add(PASSED, Us, score);
687
688     return score;
689   }
690
691
692   // Evaluation::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
699   template<Tracing T> template<Color Us>
700   Score Evaluation<T>::space() const {
701
702     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
703         return SCORE_ZERO;
704
705     constexpr Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
706     constexpr Bitboard SpaceMask =
707       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
708                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
709
710     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
711     Bitboard safe =   SpaceMask
712                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
713                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
714
715     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
716     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
717     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
718     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
719
720     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe);
721     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * pe->open_files();
722
723     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
724
725     if (T)
726         Trace::add(SPACE, Us, score);
727
728     return score;
729   }
730
731
732   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
733   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
734   // known attacking/defending status of the players.
735
736   template<Tracing T>
737   Score Evaluation<T>::initiative(Value eg) const {
738
739     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
740                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
741
742     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
743                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
744
745     // Compute the initiative bonus for the attacking side
746     int complexity =   8 * pe->pawn_asymmetry()
747                     + 12 * pos.count<PAWN>()
748                     + 12 * outflanking
749                     + 16 * pawnsOnBothFlanks
750                     + 48 * !pos.non_pawn_material()
751                     -118 ;
752
753     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
754     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
755     // that the endgame score will never change sign after the bonus.
756     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
757
758     if (T)
759         Trace::add(INITIATIVE, make_score(0, v));
760
761     return make_score(0, v);
762   }
763
764
765   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
766
767   template<Tracing T>
768   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
769
770     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
771     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
772
773     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
774     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
775     {
776         if (   pos.opposite_bishops()
777             && pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
778             && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
779             sf = 8 + 4 * pe->pawn_asymmetry();
780         else
781             sf = std::min(40 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide), sf);
782
783     }
784
785     return ScaleFactor(sf);
786   }
787
788
789   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
790   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
791   // of view of the side to move.
792
793   template<Tracing T>
794   Value Evaluation<T>::value() {
795
796     assert(!pos.checkers());
797
798     // Probe the material hash table
799     me = Material::probe(pos);
800
801     // If we have a specialized evaluation function for the current material
802     // configuration, call it and return.
803     if (me->specialized_eval_exists())
804         return me->evaluate(pos);
805
806     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
807     // the position object (material + piece square tables) and the material
808     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
809     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
810
811     // Probe the pawn hash table
812     pe = Pawns::probe(pos);
813     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
814
815     // Early exit if score is high
816     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
817     if (abs(v) > LazyThreshold)
818        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
819
820     // Main evaluation begins here
821
822     initialize<WHITE>();
823     initialize<BLACK>();
824
825     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
826     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
827             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
828             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
829             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
830
831     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
832
833     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
834             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
835             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
836             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
837
838     score += initiative(eg_value(score));
839
840     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
841     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
842     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
843        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
844
845     v /= int(PHASE_MIDGAME);
846
847     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
848     if (T)
849     {
850         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
851         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
852         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
853         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
854         Trace::add(TOTAL, score);
855     }
856
857     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
858            + Eval::Tempo;
859   }
860
861 } // namespace
862
863
864 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
865 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
866
867 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
868   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
869 }
870
871
872 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
873 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
874 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
875
876 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
877
878   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
879
880   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
881
882   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
883
884   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
885
886   std::stringstream ss;
887   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
888      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
889      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
890      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
891      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
892      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
893      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
894      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
895      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
896      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
897      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
898      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
899      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
900      << " King safety | " << Term(KING)
901      << "     Threats | " << Term(THREAT)
902      << "      Passed | " << Term(PASSED)
903      << "       Space | " << Term(SPACE)
904      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
905      << "       Total | " << Term(TOTAL);
906
907   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
908
909   return ss.str();
910 }