Introduce king flank defenders
[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) 2015-2019 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   // Threshold for lazy and space evaluation
77   constexpr Value LazyThreshold  = Value(1400);
78   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
79
80   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
81   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 81, 52, 44, 10 };
82
83   // Penalties for enemy's safe checks
84   constexpr int QueenSafeCheck  = 780;
85   constexpr int RookSafeCheck   = 1080;
86   constexpr int BishopSafeCheck = 635;
87   constexpr int KnightSafeCheck = 790;
88
89 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
90
91   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
92   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
93   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
94     { S(-62,-81), S(-53,-56), S(-12,-30), S( -4,-14), S(  3,  8), S( 13, 15), // Knights
95       S( 22, 23), S( 28, 27), S( 33, 33) },
96     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
97       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
98       S( 91, 88), S( 98, 97) },
99     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
100       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
101       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
102     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
103       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
104       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
105       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
106       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
107   };
108
109   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
110   // no (friendly) pawn on the rook file.
111   constexpr Score RookOnFile[] = { S(21, 4), S(47, 25) };
112
113   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
114   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
115   // pawn-defended are not considered.
116   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
117     S(0, 0), S(6, 32), S(59, 41), S(79, 56), S(90, 119), S(79, 161)
118   };
119
120   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
121     S(0, 0), S(3, 44), S(38, 71), S(38, 61), S(0, 38), S(51, 38)
122   };
123
124   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
125   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
126     S(0, 0), S(10, 28), S(17, 33), S(15, 41), S(62, 72), S(168, 177), S(276, 260)
127   };
128
129   // OutpostRank[Rank] contains a bonus according to the rank of the outpost
130   constexpr Score OutpostRank[RANK_NB] = {
131     S(0, 0), S(0, 0), S(0, 0), S(28, 18), S(30, 24), S(32, 19)
132   };
133
134   // Assorted bonuses and penalties
135   constexpr Score BishopPawns        = S(  3,  7);
136   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
137   constexpr Score FlankAttacks       = S(  8,  0);
138   constexpr Score Hanging            = S( 69, 36);
139   constexpr Score KingProtector      = S(  7,  8);
140   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 16, 12);
141   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 45,  0);
142   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 18,  3);
143   constexpr Score Outpost            = S( 32, 10);
144   constexpr Score PassedFile         = S( 11,  8);
145   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 17, 95);
146   constexpr Score RestrictedPiece    = S(  7,  7);
147   constexpr Score RookOnQueenFile    = S(  7,  6);
148   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 59, 18);
149   constexpr Score ThreatByKing       = S( 24, 89);
150   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 48, 39);
151   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(173, 94);
152   constexpr Score TrappedRook        = S( 47,  4);
153   constexpr Score WeakQueen          = S( 49, 15);
154
155 #undef S
156
157   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
158   template<Tracing T>
159   class Evaluation {
160
161   public:
162     Evaluation() = delete;
163     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
164     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
165     Value value();
166
167   private:
168     template<Color Us> void initialize();
169     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
170     template<Color Us> Score king() const;
171     template<Color Us> Score threats() const;
172     template<Color Us> Score passed() const;
173     template<Color Us> Score space() const;
174     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
175     Score initiative(Score score) const;
176
177     const Position& pos;
178     Material::Entry* me;
179     Pawns::Entry* pe;
180     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
181     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
182
183     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
184     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
185     // is also calculated is ALL_PIECES.
186     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
187
188     // attackedBy2[color] are the squares attacked by at least 2 units of a given
189     // color, including x-rays. But diagonal x-rays through pawns are not computed.
190     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
191
192     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king plus some other
193     // very near squares, depending on king position.
194     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
195
196     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
197     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
198     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
199
200     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
201     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
202     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
203     // the KingAttackWeights array.
204     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
205
206     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
207     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
208     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
209     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
210     // to kingAttacksCount[WHITE].
211     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
212   };
213
214
215   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
216   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
217   template<Tracing T> template<Color Us>
218   void Evaluation<T>::initialize() {
219
220     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
221     constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
222     constexpr Direction Down = -Up;
223     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB : Rank7BB | Rank6BB);
224
225     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
226
227     Bitboard dblAttackByPawn = pawn_double_attacks_bb<Us>(pos.pieces(Us, PAWN));
228
229     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
230     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
231
232     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen or controlled by
233     // enemy pawns are excluded from the mobility area.
234     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
235
236     // Initialize attackedBy[] for king and pawns
237     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(ksq);
238     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
239     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
240     attackedBy2[Us] = dblAttackByPawn | (attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN]);
241
242     // Init our king safety tables
243     Square s = make_square(clamp(file_of(ksq), FILE_B, FILE_G),
244                            clamp(rank_of(ksq), RANK_2, RANK_7));
245     kingRing[Us] = s | PseudoAttacks[KING][s];
246
247     kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
248     kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
249
250     // Remove from kingRing[] the squares defended by two pawns
251     kingRing[Us] &= ~dblAttackByPawn;
252   }
253
254
255   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
256   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
257   Score Evaluation<T>::pieces() {
258
259     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
260     constexpr Direction Down = -pawn_push(Us);
261     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
262                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
263     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
264
265     Bitboard b, bb;
266     Score score = SCORE_ZERO;
267
268     attackedBy[Us][Pt] = 0;
269
270     for (Square s = *pl; s != SQ_NONE; s = *++pl)
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(QUEEN))
274           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
275                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
276
277         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
278             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
279
280         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
281         attackedBy[Us][Pt] |= b;
282         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
283
284         if (b & kingRing[Them])
285         {
286             kingAttackersCount[Us]++;
287             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
288             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
289         }
290
291         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
292
293         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
294
295         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
296         {
297             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
298             bb = OutpostRanks & attackedBy[Us][PAWN] & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
299             if (s & bb)
300                 score += OutpostRank[relative_rank(Us, s)] * (Pt == KNIGHT ? 2 : 1);
301
302             else if (Pt == KNIGHT && bb & b & ~pos.pieces(Us))
303                 score += Outpost;
304
305             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
306             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
307                 score += MinorBehindPawn;
308
309             // Penalty if the piece is far from the king
310             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
311
312             if (Pt == BISHOP)
313             {
314                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
315                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
316                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
317
318                 score -= BishopPawns * pos.pawns_on_same_color_squares(Us, s)
319                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
320
321                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
322                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
323                     score += LongDiagonalBishop;
324             }
325
326             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
327             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
328             // when that pawn is also blocked.
329             if (   Pt == BISHOP
330                 && pos.is_chess960()
331                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
332             {
333                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
334                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
335                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
336                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
337                                                                               : CorneredBishop;
338             }
339         }
340
341         if (Pt == ROOK)
342         {
343             // Bonus for rook on the same file as a queen
344             if (file_bb(s) & pos.pieces(QUEEN))
345                 score += RookOnQueenFile;
346
347             // Bonus for rook on an open or semi-open file
348             if (pos.is_on_semiopen_file(Us, s))
349                 score += RookOnFile[pos.is_on_semiopen_file(Them, s)];
350
351             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
352             else if (mob <= 3)
353             {
354                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
355                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
356                     score -= TrappedRook * (1 + !pos.castling_rights(Us));
357             }
358         }
359
360         if (Pt == QUEEN)
361         {
362             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
363             Bitboard queenPinners;
364             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
365                 score -= WeakQueen;
366         }
367     }
368     if (T)
369         Trace::add(Pt, Us, score);
370
371     return score;
372   }
373
374
375   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
376   template<Tracing T> template<Color Us>
377   Score Evaluation<T>::king() const {
378
379     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
380     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
381                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
382
383     Bitboard weak, b1, b2, b3, safe, unsafeChecks = 0;
384     Bitboard rookChecks, queenChecks, bishopChecks, knightChecks;
385     int kingDanger = 0;
386     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
387
388     // Init the score with king shelter and enemy pawns storm
389     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
390
391     // Attacked squares defended at most once by our queen or king
392     weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
393           & ~attackedBy2[Us]
394           & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
395
396     // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
397     safe  = ~pos.pieces(Them);
398     safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
399
400     b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
401     b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
402
403     // Enemy rooks checks
404     rookChecks = b1 & safe & attackedBy[Them][ROOK];
405
406     if (rookChecks)
407         kingDanger += RookSafeCheck;
408     else
409         unsafeChecks |= b1 & attackedBy[Them][ROOK];
410
411     // Enemy queen safe checks: we count them only if they are from squares from
412     // which we can't give a rook check, because rook checks are more valuable.
413     queenChecks =  (b1 | b2)
414                  & attackedBy[Them][QUEEN]
415                  & safe
416                  & ~attackedBy[Us][QUEEN]
417                  & ~rookChecks;
418
419     if (queenChecks)
420         kingDanger += QueenSafeCheck;
421
422     // Enemy bishops checks: we count them only if they are from squares from
423     // which we can't give a queen check, because queen checks are more valuable.
424     bishopChecks =  b2
425                   & attackedBy[Them][BISHOP]
426                   & safe
427                   & ~queenChecks;
428
429     if (bishopChecks)
430         kingDanger += BishopSafeCheck;
431     else
432         unsafeChecks |= b2 & attackedBy[Them][BISHOP];
433
434     // Enemy knights checks
435     knightChecks = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
436
437     if (knightChecks & safe)
438         kingDanger += KnightSafeCheck;
439     else
440         unsafeChecks |= knightChecks;
441
442     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, the squares
443     // which they attack twice in that flank, and the squares that we defend.
444     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
445     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
446     b3 = attackedBy[Us][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
447
448     int kingFlankAttack = popcount(b1) + popcount(b2);
449     int kingFlankDefense = popcount(b3);
450
451     kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
452                  + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
453                  + 148 * popcount(unsafeChecks)
454                  +  98 * popcount(pos.blockers_for_king(Us))
455                  +  69 * kingAttacksCount[Them]
456                  +   4 * (kingFlankAttack - kingFlankDefense)
457                  +   3 * kingFlankAttack * kingFlankAttack / 8
458                  +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
459                  - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
460                  - 100 * bool(attackedBy[Us][KNIGHT] & attackedBy[Us][KING])
461                  -  35 * bool(attackedBy[Us][BISHOP] & attackedBy[Us][KING])
462                  -   6 * mg_value(score) / 8
463                  -   7;
464
465     // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
466     if (kingDanger > 100)
467         score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
468
469     // Penalty when our king is on a pawnless flank
470     if (!(pos.pieces(PAWN) & KingFlank[file_of(ksq)]))
471         score -= PawnlessFlank;
472
473     // Penalty if king flank is under attack, potentially moving toward the king
474     score -= FlankAttacks * kingFlankAttack;
475
476     if (T)
477         Trace::add(KING, Us, score);
478
479     return score;
480   }
481
482
483   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
484   // attacking and the attacked pieces.
485   template<Tracing T> template<Color Us>
486   Score Evaluation<T>::threats() const {
487
488     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
489     constexpr Direction Up       = pawn_push(Us);
490     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
491
492     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
493     Score score = SCORE_ZERO;
494
495     // Non-pawn enemies
496     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
497
498     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
499     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
500     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
501                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
502
503     // Non-pawn enemies, strongly protected
504     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
505
506     // Enemies not strongly protected and under our attack
507     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
508
509     // Bonus according to the kind of attacking pieces
510     if (defended | weak)
511     {
512         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
513         while (b)
514             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
515
516         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
517         while (b)
518             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
519
520         if (weak & attackedBy[Us][KING])
521             score += ThreatByKing;
522
523         b =  ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]
524            | (nonPawnEnemies & attackedBy2[Us]);
525         score += Hanging * popcount(weak & b);
526     }
527
528     // Bonus for restricting their piece moves
529     b =   attackedBy[Them][ALL_PIECES]
530        & ~stronglyProtected
531        &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
532
533     score += RestrictedPiece * popcount(b);
534
535     // Protected or unattacked squares
536     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
537
538     // Bonus for attacking enemy pieces with our relatively safe pawns
539     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
540     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
541     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
542
543     // Find squares where our pawns can push on the next move
544     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
545     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
546
547     // Keep only the squares which are relatively safe
548     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
549
550     // Bonus for safe pawn threats on the next move
551     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
552     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
553
554     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
555     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
556     {
557         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
558         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
559
560         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
561
562         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
563
564         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
565            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
566
567         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
568     }
569
570     if (T)
571         Trace::add(THREAT, Us, score);
572
573     return score;
574   }
575
576   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
577   // pawns of the given color.
578
579   template<Tracing T> template<Color Us>
580   Score Evaluation<T>::passed() const {
581
582     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
583     constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
584
585     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
586       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
587     };
588
589     Bitboard b, bb, squaresToQueen, unsafeSquares;
590     Score score = SCORE_ZERO;
591
592     b = pe->passed_pawns(Us);
593
594     while (b)
595     {
596         Square s = pop_lsb(&b);
597
598         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
599
600         int r = relative_rank(Us, s);
601
602         Score bonus = PassedRank[r];
603
604         if (r > RANK_3)
605         {
606             int w = 5 * r - 13;
607             Square blockSq = s + Up;
608
609             // Adjust bonus based on the king's proximity
610             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
611                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
612
613             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
614             if (r != RANK_7)
615                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
616
617             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
618             if (pos.empty(blockSq))
619             {
620                 squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
621                 unsafeSquares = passed_pawn_span(Us, s);
622
623                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN);
624
625                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
626                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES];
627
628                 // If there are no enemy attacks on passed pawn span, assign a big bonus.
629                 // Otherwise assign a smaller bonus if the path to queen is not attacked
630                 // and even smaller bonus if it is attacked but block square is not.
631                 int k = !unsafeSquares                    ? 35 :
632                         !(unsafeSquares & squaresToQueen) ? 20 :
633                         !(unsafeSquares & blockSq)        ?  9 :
634                                                              0 ;
635
636                 // Assign a larger bonus if the block square is defended
637                 if ((pos.pieces(Us) & bb) || (attackedBy[Us][ALL_PIECES] & blockSq))
638                     k += 5;
639
640                 bonus += make_score(k * w, k * w);
641             }
642         } // r > RANK_3
643
644         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
645         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
646         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
647             || (pos.pieces(PAWN) & (s + Up)))
648             bonus = bonus / 2;
649
650         score += bonus - PassedFile * map_to_queenside(file_of(s));
651     }
652
653     if (T)
654         Trace::add(PASSED, Us, score);
655
656     return score;
657   }
658
659
660   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
661   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
662   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
663   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
664   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
665   // improve play on game opening.
666
667   template<Tracing T> template<Color Us>
668   Score Evaluation<T>::space() const {
669
670     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
671         return SCORE_ZERO;
672
673     constexpr Color Them     = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
674     constexpr Direction Down = -pawn_push(Us);
675     constexpr Bitboard SpaceMask =
676       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
677                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
678
679     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
680     Bitboard safe =   SpaceMask
681                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
682                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
683
684     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
685     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
686     behind |= shift<Down>(behind);
687     behind |= shift<Down+Down>(behind);
688
689     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
690     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 1;
691     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
692
693     if (T)
694         Trace::add(SPACE, Us, score);
695
696     return score;
697   }
698
699
700   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
701   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
702   // known attacking/defending status of the players.
703
704   template<Tracing T>
705   Score Evaluation<T>::initiative(Score score) const {
706
707     Value mg = mg_value(score);
708     Value eg = eg_value(score);
709
710     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
711                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
712
713     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
714                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
715
716     bool almostUnwinnable =   !pe->passed_count()
717                            &&  outflanking < 0
718                            && !pawnsOnBothFlanks;
719
720     // Compute the initiative bonus for the attacking side
721     int complexity =   9 * pe->passed_count()
722                     + 11 * pos.count<PAWN>()
723                     +  9 * outflanking
724                     + 21 * pawnsOnBothFlanks
725                     + 51 * !pos.non_pawn_material()
726                     - 43 * almostUnwinnable
727                     - 95 ;
728
729     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting the
730     // sign of the midgame or endgame values, and that we carefully cap the bonus
731     // so that the midgame and endgame scores do not change sign after the bonus.
732     int u = ((mg > 0) - (mg < 0)) * std::max(std::min(complexity + 50, 0), -abs(mg));
733     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
734
735     if (T)
736         Trace::add(INITIATIVE, make_score(u, v));
737
738     return make_score(u, v);
739   }
740
741
742   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
743
744   template<Tracing T>
745   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
746
747     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
748     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
749
750     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
751     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
752     {
753         if (   pos.opposite_bishops()
754             && pos.non_pawn_material() == 2 * BishopValueMg)
755             sf = 16 + 4 * pe->passed_count();
756         else
757             sf = std::min(sf, 36 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide));
758
759         sf = std::max(0, sf - (pos.rule50_count() - 12) / 4);
760     }
761
762     return ScaleFactor(sf);
763   }
764
765
766   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
767   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
768   // of view of the side to move.
769
770   template<Tracing T>
771   Value Evaluation<T>::value() {
772
773     assert(!pos.checkers());
774
775     // Probe the material hash table
776     me = Material::probe(pos);
777
778     // If we have a specialized evaluation function for the current material
779     // configuration, call it and return.
780     if (me->specialized_eval_exists())
781         return me->evaluate(pos);
782
783     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
784     // the position object (material + piece square tables) and the material
785     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
786     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
787
788     // Probe the pawn hash table
789     pe = Pawns::probe(pos);
790     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
791
792     // Early exit if score is high
793     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
794     if (abs(v) > LazyThreshold + pos.non_pawn_material() / 64)
795        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
796
797     // Main evaluation begins here
798
799     initialize<WHITE>();
800     initialize<BLACK>();
801
802     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
803     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
804             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
805             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
806             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
807
808     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
809
810     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
811             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
812             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
813             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
814
815     score += initiative(score);
816
817     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
818     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
819     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
820        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
821
822     v /= PHASE_MIDGAME;
823
824     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
825     if (T)
826     {
827         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
828         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
829         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
830         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
831         Trace::add(TOTAL, score);
832     }
833
834     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
835            + Eval::Tempo;
836   }
837
838 } // namespace
839
840
841 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
842 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
843
844 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
845   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
846 }
847
848
849 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
850 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
851 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
852
853 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
854
855   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
856
857   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
858
859   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
860
861   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
862
863   std::stringstream ss;
864   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
865      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
866      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
867      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
868      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
869      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
870      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
871      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
872      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
873      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
874      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
875      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
876      << " King safety | " << Term(KING)
877      << "     Threats | " << Term(THREAT)
878      << "      Passed | " << Term(PASSED)
879      << "       Space | " << Term(SPACE)
880      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
881      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
882      << "       Total | " << Term(TOTAL);
883
884   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
885
886   return ss.str();
887 }