48c6e8ea1d7befaee0235485fcd07a4a28b5c412
[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
32 std::atomic<Score> Eval::Contempt;
33
34 namespace Trace {
35
36   enum Tracing { NO_TRACE, TRACE };
37
38   enum Term { // The first 8 entries are reserved for PieceType
39     MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, INITIATIVE, TOTAL, TERM_NB
40   };
41
42   Score scores[TERM_NB][COLOR_NB];
43
44   double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
45
46   void add(int idx, Color c, Score s) {
47     scores[idx][c] = s;
48   }
49
50   void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
51     scores[idx][WHITE] = w;
52     scores[idx][BLACK] = b;
53   }
54
55   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Score s) {
56     os << std::setw(5) << to_cp(mg_value(s)) << " "
57        << std::setw(5) << to_cp(eg_value(s));
58     return os;
59   }
60
61   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
62
63     if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == INITIATIVE || t == TOTAL)
64         os << " ----  ----"    << " | " << " ----  ----";
65     else
66         os << scores[t][WHITE] << " | " << scores[t][BLACK];
67
68     os << " | " << scores[t][WHITE] - scores[t][BLACK] << "\n";
69     return os;
70   }
71 }
72
73 using namespace Trace;
74
75 namespace {
76
77   constexpr Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
78   constexpr Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
79   constexpr Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
80   constexpr Bitboard Center      = (FileDBB | FileEBB) & (Rank4BB | Rank5BB);
81
82   constexpr Bitboard KingFlank[FILE_NB] = {
83     QueenSide,   QueenSide, QueenSide,
84     CenterFiles, CenterFiles,
85     KingSide,    KingSide,  KingSide
86   };
87
88   // Threshold for lazy and space evaluation
89   constexpr Value LazyThreshold  = Value(1500);
90   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
91
92   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
93   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 78, 56, 45, 11 };
94
95   // Penalties for enemy's safe checks
96   constexpr int QueenSafeCheck  = 780;
97   constexpr int RookSafeCheck   = 880;
98   constexpr int BishopSafeCheck = 435;
99   constexpr int KnightSafeCheck = 790;
100
101 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
102
103   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
104   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
105   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
106     { S(-75,-76), S(-57,-54), S( -9,-28), S( -2,-10), S(  6,  5), S( 14, 12), // Knights
107       S( 22, 26), S( 29, 29), S( 36, 29) },
108     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
109       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
110       S( 91, 88), S( 98, 97) },
111     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
112       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
113       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
114     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
115       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
116       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
117       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
118       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
119   };
120
121   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for minor
122   // pieces if they occupy or can reach an outpost square, bigger if that
123   // square is supported by a pawn.
124   constexpr Score Outpost[][2] = {
125     { S(22, 6), S(36,12) }, // Knight
126     { S( 9, 2), S(15, 5) }  // Bishop
127   };
128
129   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
130   // no (friendly) pawn on the rook file.
131   constexpr Score RookOnFile[] = { S(20, 7), S(45, 20) };
132
133   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
134   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
135   // pawn-defended are not considered.
136   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
137     S(0, 0), S(0, 31), S(39, 42), S(57, 44), S(68, 112), S(47, 120)
138   };
139
140   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
141     S(0, 0), S(0, 24), S(38, 71), S(38, 61), S(0, 38), S(36, 38)
142   };
143
144   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for king attacks on
145   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
146   constexpr Score ThreatByKing[] = { S(3, 65), S(9, 145) };
147
148   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
149   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
150     S(0, 0), S(5, 7), S(5, 13), S(32, 42), S(70, 70), S(172, 170), S(217, 269)
151   };
152
153   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
154   constexpr Score PassedFile[FILE_NB] = {
155     S(  9, 10), S(2, 10), S(1, -8), S(-20,-12),
156     S(-20,-12), S(1, -8), S(2, 10), S(  9, 10)
157   };
158
159   // PassedDanger[Rank] contains a term to weight the passed score
160   constexpr int PassedDanger[RANK_NB] = { 0, 0, 0, 2, 7, 12, 19 };
161
162   // KingProtector[PieceType-2] contains a penalty according to distance from king
163   constexpr Score KingProtector[] = { S(3, 5), S(4, 3), S(3, 0), S(1, -1) };
164
165   // Assorted bonuses and penalties
166   constexpr Score BishopPawns        = S(  8, 12);
167   constexpr Score CloseEnemies       = S(  7,  0);
168   constexpr Score Connectivity       = S(  3,  1);
169   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
170   constexpr Score Hanging            = S( 52, 30);
171   constexpr Score HinderPassedPawn   = S(  8,  1);
172   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 21, 11);
173   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 22,  0);
174   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 16,  0);
175   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 20, 80);
176   constexpr Score RookOnPawn         = S(  8, 24);
177   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 42, 21);
178   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 47, 26);
179   constexpr Score ThreatByRank       = S( 16,  3);
180   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(175,168);
181   constexpr Score TrappedRook        = S( 92,  0);
182   constexpr Score WeakQueen          = S( 50, 10);
183   constexpr Score WeakUnopposedPawn  = S(  5, 25);
184
185 #undef S
186
187   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
188   template<Tracing T>
189   class Evaluation {
190
191   public:
192     Evaluation() = delete;
193     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
194     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
195     Value value();
196
197   private:
198     template<Color Us> void initialize();
199     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
200     template<Color Us> Score king() const;
201     template<Color Us> Score threats() const;
202     template<Color Us> Score passed() const;
203     template<Color Us> Score space() const;
204     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
205     Score initiative(Value eg) const;
206
207     const Position& pos;
208     Material::Entry* me;
209     Pawns::Entry* pe;
210     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
211     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
212
213     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
214     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
215     // is also calculated is ALL_PIECES.
216     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
217
218     // attackedBy2[color] are the squares attacked by 2 pieces of a given color,
219     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
220     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
221     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
222
223     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king, plus (only for a
224     // king on its first rank) the squares two ranks in front. For instance,
225     // if black's king is on g8, kingRing[BLACK] is f8, h8, f7, g7, h7, f6, g6
226     // and h6. It is set to 0 when king safety evaluation is skipped.
227     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
228
229     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
230     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
231     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
232
233     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
234     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
235     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
236     // the KingAttackWeights array.
237     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
238
239     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
240     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
241     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
242     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
243     // to kingAttacksCount[WHITE].
244     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
245   };
246
247
248   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
249   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
250   template<Tracing T> template<Color Us>
251   void Evaluation<T>::initialize() {
252
253     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
254     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
255     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
256     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB: Rank7BB | Rank6BB);
257
258     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
259     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
260
261     // Squares occupied by those pawns, by our king, or controlled by enemy pawns
262     // are excluded from the mobility area.
263     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.square<KING>(Us) | pe->pawn_attacks(Them));
264
265     // Initialise attackedBy bitboards for kings and pawns
266     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(Us));
267     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
268     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
269     attackedBy2[Us]            = attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN];
270
271     // Init our king safety tables only if we are going to use them
272     if (pos.non_pawn_material(Them) >= RookValueMg + KnightValueMg)
273     {
274         kingRing[Us] = attackedBy[Us][KING];
275         if (relative_rank(Us, pos.square<KING>(Us)) == RANK_1)
276             kingRing[Us] |= shift<Up>(kingRing[Us]);
277
278         kingAttackersCount[Them] = popcount(attackedBy[Us][KING] & pe->pawn_attacks(Them));
279         kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
280     }
281     else
282         kingRing[Us] = kingAttackersCount[Them] = 0;
283   }
284
285
286   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
287   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
288   Score Evaluation<T>::pieces() {
289
290     constexpr Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
291     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
292                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
293     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
294
295     Bitboard b, bb;
296     Square s;
297     Score score = SCORE_ZERO;
298
299     attackedBy[Us][Pt] = 0;
300
301     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
302     {
303         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
304         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
305           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
306                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
307
308         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
309             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
310
311         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
312         attackedBy[Us][Pt] |= b;
313         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
314
315         if (b & kingRing[Them])
316         {
317             kingAttackersCount[Us]++;
318             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
319             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
320         }
321
322         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
323
324         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
325
326         // Penalty if the piece is far from the king
327         score -= KingProtector[Pt - 2] * distance(s, pos.square<KING>(Us));
328
329         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
330         {
331             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
332             bb = OutpostRanks & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
333             if (bb & s)
334                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & s)] * 2;
335
336             else if (bb &= b & ~pos.pieces(Us))
337                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
338
339             // Bonus when behind a pawn
340             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
341                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
342                 score += MinorBehindPawn;
343
344             if (Pt == BISHOP)
345             {
346                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the bishop
347                 score -= BishopPawns * pe->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
348
349                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
350                 if (more_than_one(Center & (attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) | s)))
351                     score += LongDiagonalBishop;
352             }
353
354             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
355             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
356             // when that pawn is also blocked.
357             if (   Pt == BISHOP
358                 && pos.is_chess960()
359                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
360             {
361                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
362                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
363                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
364                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
365                                                                               : CorneredBishop;
366             }
367         }
368
369         if (Pt == ROOK)
370         {
371             // Bonus for aligning rook with with enemy pawns on the same rank/file
372             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
373                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
374
375             // Bonus for rook on an open or semi-open file
376             if (pe->semiopen_file(Us, file_of(s)))
377                 score += RookOnFile[bool(pe->semiopen_file(Them, file_of(s)))];
378
379             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
380             else if (mob <= 3)
381             {
382                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
383                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
384                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
385             }
386         }
387
388         if (Pt == QUEEN)
389         {
390             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
391             Bitboard queenPinners;
392             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
393                 score -= WeakQueen;
394         }
395     }
396     if (T)
397         Trace::add(Pt, Us, score);
398
399     return score;
400   }
401
402
403   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
404   template<Tracing T> template<Color Us>
405   Score Evaluation<T>::king() const {
406
407     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
408     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
409                                        : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
410
411     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
412     Bitboard weak, b, b1, b2, safe, unsafeChecks, pinned;
413
414     // King shelter and enemy pawns storm
415     Score score = pe->king_safety<Us>(pos, ksq);
416
417     // Main king safety evaluation
418     if (kingAttackersCount[Them] > 1 - pos.count<QUEEN>(Them))
419     {
420         int kingDanger = 0;
421         unsafeChecks = 0;
422
423         // Attacked squares defended at most once by our queen or king
424         weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
425               & ~attackedBy2[Us]
426               & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
427
428         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
429         safe  = ~pos.pieces(Them);
430         safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
431
432         b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
433         b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
434
435         // Enemy queen safe checks
436         if ((b1 | b2) & attackedBy[Them][QUEEN] & safe & ~attackedBy[Us][QUEEN])
437             kingDanger += QueenSafeCheck;
438
439         b1 &= attackedBy[Them][ROOK];
440         b2 &= attackedBy[Them][BISHOP];
441
442         // Enemy rooks checks
443         if (b1 & safe)
444             kingDanger += RookSafeCheck;
445         else
446             unsafeChecks |= b1;
447
448         // Enemy bishops checks
449         if (b2 & safe)
450             kingDanger += BishopSafeCheck;
451         else
452             unsafeChecks |= b2;
453
454         // Enemy knights checks
455         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
456         if (b & safe)
457             kingDanger += KnightSafeCheck;
458         else
459             unsafeChecks |= b;
460
461         // Unsafe or occupied checking squares will also be considered, as long as
462         // the square is in the attacker's mobility area.
463         unsafeChecks &= mobilityArea[Them];
464         pinned = pos.blockers_for_king(Us) & pos.pieces(Us);
465
466         kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
467                      + 102 * kingAttacksCount[Them]
468                      + 191 * popcount(kingRing[Us] & weak)
469                      + 143 * popcount(pinned | unsafeChecks)
470                      - 848 * !pos.count<QUEEN>(Them)
471                      -   9 * mg_value(score) / 8
472                      +  40;
473
474         // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
475         if (kingDanger > 0)
476         {
477             int mobilityDanger = mg_value(mobility[Them] - mobility[Us]);
478             kingDanger = std::max(0, kingDanger + mobilityDanger);
479             score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
480         }
481     }
482
483     Bitboard kf = KingFlank[file_of(ksq)];
484
485     // Penalty when our king is on a pawnless flank
486     if (!(pos.pieces(PAWN) & kf))
487         score -= PawnlessFlank;
488
489     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
490     // which are attacked twice in that flank but not defended by our pawns.
491     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & kf & Camp;
492     b2 = b1 & attackedBy2[Them] & ~attackedBy[Us][PAWN];
493
494     // King tropism, to anticipate slow motion attacks on our king
495     score -= CloseEnemies * (popcount(b1) + popcount(b2));
496
497     if (T)
498         Trace::add(KING, Us, score);
499
500     return score;
501   }
502
503
504   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
505   // attacking and the attacked pieces.
506   template<Tracing T> template<Color Us>
507   Score Evaluation<T>::threats() const {
508
509     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
510     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
511     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
512
513     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safeThreats;
514     Score score = SCORE_ZERO;
515
516     // Non-pawn enemies attacked by a pawn
517     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN);
518     weak = nonPawnEnemies & attackedBy[Us][PAWN];
519
520     if (weak)
521     {
522         // Our safe or protected pawns
523         b =  pos.pieces(Us, PAWN)
524            & (~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
525
526         safeThreats = pawn_attacks_bb<Us>(b) & weak;
527         score += ThreatBySafePawn * popcount(safeThreats);
528     }
529
530     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
531     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
532     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
533                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
534
535     // Non-pawn enemies, strongly protected
536     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
537
538     // Enemies not strongly protected and under our attack
539     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
540
541     // Bonus according to the kind of attacking pieces
542     if (defended | weak)
543     {
544         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
545         while (b)
546         {
547             Square s = pop_lsb(&b);
548             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
549             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
550                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
551         }
552
553         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & attackedBy[Us][ROOK];
554         while (b)
555         {
556             Square s = pop_lsb(&b);
557             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
558             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
559                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
560         }
561
562         score += Hanging * popcount(weak & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
563
564         b = weak & attackedBy[Us][KING];
565         if (b)
566             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
567     }
568
569     // Bonus for enemy unopposed weak pawns
570     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
571         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
572
573     // Find squares where our pawns can push on the next move
574     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
575     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
576
577     // Keep only the squares which are not completely unsafe
578     b &= ~attackedBy[Them][PAWN]
579         & (attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
580
581     // Bonus for safe pawn threats on the next move
582     b =   pawn_attacks_bb<Us>(b)
583        &  pos.pieces(Them)
584        & ~attackedBy[Us][PAWN];
585
586     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
587
588     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
589     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
590     {
591         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
592         safeThreats = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
593
594         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
595
596         score += KnightOnQueen * popcount(b & safeThreats);
597
598         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
599            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
600
601         score += SliderOnQueen * popcount(b & safeThreats & attackedBy2[Us]);
602     }
603
604     // Connectivity: ensure that knights, bishops, rooks, and queens are protected
605     b = (pos.pieces(Us) ^ pos.pieces(Us, PAWN, KING)) & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
606     score += Connectivity * popcount(b);
607
608     if (T)
609         Trace::add(THREAT, Us, score);
610
611     return score;
612   }
613
614   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
615   // pawns of the given color.
616
617   template<Tracing T> template<Color Us>
618   Score Evaluation<T>::passed() const {
619
620     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
621     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
622
623     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
624       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
625     };
626
627     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
628     Score score = SCORE_ZERO;
629
630     b = pe->passed_pawns(Us);
631
632     while (b)
633     {
634         Square s = pop_lsb(&b);
635
636         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
637
638         bb = forward_file_bb(Us, s) & (attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
639         score -= HinderPassedPawn * popcount(bb);
640
641         int r = relative_rank(Us, s);
642         int w = PassedDanger[r];
643
644         Score bonus = PassedRank[r];
645
646         if (w)
647         {
648             Square blockSq = s + Up;
649
650             // Adjust bonus based on the king's proximity
651             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
652                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
653
654             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
655             if (r != RANK_7)
656                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
657
658             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
659             if (pos.empty(blockSq))
660             {
661                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
662                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
663                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
664                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
665
666                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
667
668                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
669                     defendedSquares &= attackedBy[Us][ALL_PIECES];
670
671                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
672                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
673
674                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
675                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
676                 int k = !unsafeSquares ? 20 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
677
678                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
679                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
680                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
681                     k += 6;
682
683                 else if (defendedSquares & blockSq)
684                     k += 4;
685
686                 bonus += make_score(k * w, k * w);
687             }
688             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
689                 bonus += make_score(w + r * 2, w + r * 2);
690         } // rr != 0
691
692         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
693         // pawn push to become passed or have a pawn in front of them.
694         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
695             || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
696             bonus = bonus / 2;
697
698         score += bonus + PassedFile[file_of(s)];
699     }
700
701     if (T)
702         Trace::add(PASSED, Us, score);
703
704     return score;
705   }
706
707
708   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
709   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
710   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
711   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
712   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
713   // improve play on game opening.
714
715   template<Tracing T> template<Color Us>
716   Score Evaluation<T>::space() const {
717
718     constexpr Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
719     constexpr Bitboard SpaceMask =
720       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
721                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
722
723     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
724         return SCORE_ZERO;
725
726     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
727     // SpaceMask. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
728     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
729     Bitboard safe =   SpaceMask
730                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
731                    & ~attackedBy[Them][PAWN]
732                    & (attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
733
734     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
735     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
736     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
737     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
738
739     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe);
740     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * pe->open_files();
741
742     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
743
744     if (T)
745         Trace::add(SPACE, Us, score);
746
747     return score;
748   }
749
750
751   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
752   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
753   // known attacking/defending status of the players.
754
755   template<Tracing T>
756   Score Evaluation<T>::initiative(Value eg) const {
757
758     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
759                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
760
761     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
762                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
763
764     // Compute the initiative bonus for the attacking side
765     int complexity =   8 * outflanking
766                     +  8 * pe->pawn_asymmetry()
767                     + 12 * pos.count<PAWN>()
768                     + 16 * pawnsOnBothFlanks
769                     + 48 * !pos.non_pawn_material()
770                     -136 ;
771
772     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
773     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
774     // that the endgame score will never change sign after the bonus.
775     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
776
777     if (T)
778         Trace::add(INITIATIVE, make_score(0, v));
779
780     return make_score(0, v);
781   }
782
783
784   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
785
786   template<Tracing T>
787   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
788
789     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
790     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
791
792     // If we don't already have an unusual scale factor, check for certain
793     // types of endgames, and use a lower scale for those.
794     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN)
795     {
796         if (pos.opposite_bishops())
797         {
798             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces (ignoring pawns)
799             // is almost a draw, in case of KBP vs KB, it is even more a draw.
800             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
801                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
802                 sf = more_than_one(pos.pieces(PAWN)) ? 31 : 9;
803
804             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
805             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
806             else
807                 sf = 46;
808         }
809         // Endings where weaker side can place his king in front of the enemy's
810         // pawns are drawish.
811         else if (    abs(eg) <= BishopValueEg
812                  &&  pos.count<PAWN>(strongSide) <= 2
813                  && !pos.pawn_passed(~strongSide, pos.square<KING>(~strongSide)))
814             sf = 37 + 7 * pos.count<PAWN>(strongSide);
815     }
816
817     return ScaleFactor(sf);
818   }
819
820
821   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
822   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
823   // of view of the side to move.
824
825   template<Tracing T>
826   Value Evaluation<T>::value() {
827
828     assert(!pos.checkers());
829
830     // Probe the material hash table
831     me = Material::probe(pos);
832
833     // If we have a specialized evaluation function for the current material
834     // configuration, call it and return.
835     if (me->specialized_eval_exists())
836         return me->evaluate(pos);
837
838     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
839     // the position object (material + piece square tables) and the material
840     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
841     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + Eval::Contempt;
842
843     // Probe the pawn hash table
844     pe = Pawns::probe(pos);
845     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
846
847     // Early exit if score is high
848     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
849     if (abs(v) > LazyThreshold)
850        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
851
852     // Main evaluation begins here
853
854     initialize<WHITE>();
855     initialize<BLACK>();
856
857     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
858     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
859             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
860             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
861             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
862
863     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
864
865     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
866             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
867             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
868             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
869
870     score += initiative(eg_value(score));
871
872     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
873     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
874     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
875        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
876
877     v /= int(PHASE_MIDGAME);
878
879     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
880     if (T)
881     {
882         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
883         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
884         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
885         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
886         Trace::add(TOTAL, score);
887     }
888
889     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
890            + Eval::Tempo;
891   }
892
893 } // namespace
894
895
896 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
897 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
898
899 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
900   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
901 }
902
903
904 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
905 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
906 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
907
908 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
909
910   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
911
912   Eval::Contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
913
914   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
915
916   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
917
918   std::stringstream ss;
919   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
920      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
921      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
922      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
923      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
924      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
925      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
926      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
927      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
928      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
929      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
930      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
931      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
932      << " King safety | " << Term(KING)
933      << "     Threats | " << Term(THREAT)
934      << "      Passed | " << Term(PASSED)
935      << "       Space | " << Term(SPACE)
936      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
937      << "       Total | " << Term(TOTAL);
938
939   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
940
941   return ss.str();
942 }