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