617e33fbe93a2b337b4fd42471a60a619e5b2f48
[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   constexpr Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
77   constexpr Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
78   constexpr Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
79   constexpr Bitboard Center      = (FileDBB | FileEBB) & (Rank4BB | Rank5BB);
80
81   constexpr Bitboard KingFlank[FILE_NB] = {
82     QueenSide ^ FileDBB, QueenSide, QueenSide,
83     CenterFiles, CenterFiles,
84     KingSide, KingSide, KingSide ^ FileEBB
85   };
86
87   // Threshold for lazy and space evaluation
88   constexpr Value LazyThreshold  = Value(1500);
89   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
90
91   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
92   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 77, 55, 44, 10 };
93
94   // Penalties for enemy's safe checks
95   constexpr int QueenSafeCheck  = 780;
96   constexpr int RookSafeCheck   = 1080;
97   constexpr int BishopSafeCheck = 635;
98   constexpr int KnightSafeCheck = 790;
99
100 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
101
102   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
103   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
104   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
105     { S(-62,-81), S(-53,-56), S(-12,-30), S( -4,-14), S(  3,  8), S( 13, 15), // Knights
106       S( 22, 23), S( 28, 27), S( 33, 33) },
107     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
108       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
109       S( 91, 88), S( 98, 97) },
110     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
111       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
112       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
113     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
114       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
115       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
116       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
117       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
118   };
119
120   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for minor
121   // pieces if they occupy or can reach an outpost square, bigger if that
122   // square is supported by a pawn.
123   constexpr Score Outpost[][2] = {
124     { S(22, 6), S(36,12) }, // Knight
125     { S( 9, 2), S(15, 5) }  // Bishop
126   };
127
128   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
129   // no (friendly) pawn on the rook file.
130   constexpr Score RookOnFile[] = { S(18, 7), S(44, 20) };
131
132   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
133   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
134   // pawn-defended are not considered.
135   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
136     S(0, 0), S(0, 31), S(39, 42), S(57, 44), S(68, 112), S(62, 120)
137   };
138
139   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
140     S(0, 0), S(0, 24), S(38, 71), S(38, 61), S(0, 38), S(51, 38)
141   };
142
143   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
144   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
145     S(0, 0), S(5, 18), S(12, 23), S(10, 31), S(57, 62), S(163, 167), S(271, 250)
146   };
147
148   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
149   constexpr Score PassedFile[FILE_NB] = {
150     S( -1,  7), S( 0,  9), S(-9, -8), S(-30,-14),
151     S(-30,-14), S(-9, -8), S( 0,  9), S( -1,  7)
152   };
153
154   // Assorted bonuses and penalties
155   constexpr Score BishopPawns        = S(  3,  7);
156   constexpr Score CloseEnemies       = S(  8,  0);
157   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
158   constexpr Score Hanging            = S( 69, 36);
159   constexpr Score KingProtector      = S(  7,  8);
160   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 16, 12);
161   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 45,  0);
162   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 18,  3);
163   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 17, 95);
164   constexpr Score RestrictedPiece    = S(  7,  7);
165   constexpr Score RookOnPawn         = S( 10, 32);
166   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 59, 18);
167   constexpr Score ThreatByKing       = S( 24, 89);
168   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 48, 39);
169   constexpr Score ThreatByRank       = S( 13,  0);
170   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(173, 94);
171   constexpr Score TrappedRook        = S( 47,  4);
172   constexpr Score WeakQueen          = S( 49, 15);
173   constexpr Score WeakUnopposedPawn  = S( 12, 23);
174
175 #undef S
176
177   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
178   template<Tracing T>
179   class Evaluation {
180
181   public:
182     Evaluation() = delete;
183     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
184     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
185     Value value();
186
187   private:
188     template<Color Us> void initialize();
189     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
190     template<Color Us> Score king() const;
191     template<Color Us> Score threats() const;
192     template<Color Us> Score passed() const;
193     template<Color Us> Score space() const;
194     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
195     Score initiative(Value eg) const;
196
197     const Position& pos;
198     Material::Entry* me;
199     Pawns::Entry* pe;
200     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
201     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
202
203     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
204     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
205     // is also calculated is ALL_PIECES.
206     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
207
208     // attackedBy2[color] are the squares attacked by 2 pieces of a given color,
209     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
210     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
211     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
212
213     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king, plus (only for a
214     // king on its first rank) the squares two ranks in front. For instance,
215     // if black's king is on g8, kingRing[BLACK] is f8, h8, f7, g7, h7, f6, g6
216     // and h6.
217     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
218
219     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
220     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
221     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
222
223     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
224     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
225     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
226     // the KingAttackWeights array.
227     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
228
229     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
230     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
231     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
232     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
233     // to kingAttacksCount[WHITE].
234     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
235   };
236
237
238   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
239   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
240   template<Tracing T> template<Color Us>
241   void Evaluation<T>::initialize() {
242
243     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
244     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
245     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
246     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB: Rank7BB | Rank6BB);
247
248     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
249     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
250
251     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen, or controlled by enemy pawns
252     // are excluded from the mobility area.
253     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
254
255     // Initialise attackedBy bitboards for kings and pawns
256     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(Us));
257     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
258     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
259     attackedBy2[Us]            = attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN];
260
261     // Init our king safety tables
262     kingRing[Us] = attackedBy[Us][KING];
263     if (relative_rank(Us, pos.square<KING>(Us)) == RANK_1)
264         kingRing[Us] |= shift<Up>(kingRing[Us]);
265
266     if (file_of(pos.square<KING>(Us)) == FILE_H)
267         kingRing[Us] |= shift<WEST>(kingRing[Us]);
268
269     else if (file_of(pos.square<KING>(Us)) == FILE_A)
270         kingRing[Us] |= shift<EAST>(kingRing[Us]);
271
272     kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
273     kingRing[Us] &= ~double_pawn_attacks_bb<Us>(pos.pieces(Us, PAWN));
274     kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
275   }
276
277
278   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
279   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
280   Score Evaluation<T>::pieces() {
281
282     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
283     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
284     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
285                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
286     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
287
288     Bitboard b, bb;
289     Square s;
290     Score score = SCORE_ZERO;
291
292     attackedBy[Us][Pt] = 0;
293
294     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
295     {
296         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
297         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
298           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
299                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
300
301         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
302             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
303
304         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
305         attackedBy[Us][Pt] |= b;
306         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
307
308         if (b & kingRing[Them])
309         {
310             kingAttackersCount[Us]++;
311             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
312             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
313         }
314
315         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
316
317         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
318
319         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
320         {
321             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
322             bb = OutpostRanks & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
323             if (bb & s)
324                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & s)] * 2;
325
326             else if (bb &= b & ~pos.pieces(Us))
327                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
328
329             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
330             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
331                 score += MinorBehindPawn;
332
333             // Penalty if the piece is far from the king
334             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
335
336             if (Pt == BISHOP)
337             {
338                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
339                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
340                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
341
342                 score -= BishopPawns * pe->pawns_on_same_color_squares(Us, s)
343                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
344
345                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
346                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
347                     score += LongDiagonalBishop;
348             }
349
350             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
351             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
352             // when that pawn is also blocked.
353             if (   Pt == BISHOP
354                 && pos.is_chess960()
355                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
356             {
357                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
358                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
359                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
360                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
361                                                                               : CorneredBishop;
362             }
363         }
364
365         if (Pt == ROOK)
366         {
367             // Bonus for aligning rook with enemy pawns on the same rank/file
368             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
369                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
370
371             // Bonus for rook on an open or semi-open file
372             if (pe->semiopen_file(Us, file_of(s)))
373                 score += RookOnFile[bool(pe->semiopen_file(Them, file_of(s)))];
374
375             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
376             else if (mob <= 3)
377             {
378                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
379                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
380                     score -= TrappedRook * (1 + !pos.castling_rights(Us));
381             }
382         }
383
384         if (Pt == QUEEN)
385         {
386             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
387             Bitboard queenPinners;
388             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
389                 score -= WeakQueen;
390         }
391     }
392     if (T)
393         Trace::add(Pt, Us, score);
394
395     return score;
396   }
397
398
399   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
400   template<Tracing T> template<Color Us>
401   Score Evaluation<T>::king() const {
402
403     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
404     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
405                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
406
407     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
408     Bitboard kingFlank, weak, b, b1, b2, safe, unsafeChecks;
409
410     // King shelter and enemy pawns storm
411     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
412
413     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
414     // which are attacked twice in that flank.
415     kingFlank = KingFlank[file_of(ksq)];
416     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & kingFlank & Camp;
417     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
418
419     int tropism = popcount(b1) + popcount(b2);
420
421     // Main king safety evaluation
422     int kingDanger = 0;
423     unsafeChecks = 0;
424
425     // Attacked squares defended at most once by our queen or king
426     weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
427           & ~attackedBy2[Us]
428           & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
429
430     // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
431     safe  = ~pos.pieces(Them);
432     safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
433
434     b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
435     b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
436
437     // Enemy rooks checks
438     Bitboard RookCheck =  b1
439                         & safe
440                         & attackedBy[Them][ROOK];
441
442     if (RookCheck)
443         kingDanger += RookSafeCheck;
444     else
445         unsafeChecks |= b1 & attackedBy[Them][ROOK];
446
447     // Enemy queen safe checks: we count them only if they are from squares from
448     // which we can't give a rook check, because rook checks are more valuable.
449     Bitboard QueenCheck =  (b1 | b2)
450                          & attackedBy[Them][QUEEN]
451                          & safe
452                          & ~attackedBy[Us][QUEEN]
453                          & ~RookCheck;
454
455     if (QueenCheck)
456         kingDanger += QueenSafeCheck;
457
458     // Enemy bishops checks: we count them only if they are from squares from
459     // which we can't give a queen check, because queen checks are more valuable.
460     Bitboard BishopCheck =  b2 
461                           & attackedBy[Them][BISHOP]
462                           & safe
463                           & ~QueenCheck;
464
465     if (BishopCheck)
466         kingDanger += BishopSafeCheck;
467     else
468         unsafeChecks |= b2 & attackedBy[Them][BISHOP];
469
470     // Enemy knights checks
471     b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
472
473     if (b & safe)
474         kingDanger += KnightSafeCheck;
475     else
476         unsafeChecks |= b;
477
478     // Unsafe or occupied checking squares will also be considered, as long as
479     // the square is in the attacker's mobility area.
480     unsafeChecks &= mobilityArea[Them];
481
482     kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
483                  +  69 * kingAttacksCount[Them]
484                  + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
485                  - 100 * bool(attackedBy[Us][KNIGHT] & attackedBy[Us][KING])
486                  + 150 * popcount(pos.blockers_for_king(Us) | unsafeChecks)
487                  +   5 * tropism * tropism / 16
488                  - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
489                  -   6 * mg_value(score) / 8
490                  +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
491                  -   25;
492
493     // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
494     if (kingDanger > 0)
495         score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
496
497     // Penalty when our king is on a pawnless flank
498     if (!(pos.pieces(PAWN) & kingFlank))
499         score -= PawnlessFlank;
500
501     // King tropism bonus, to anticipate slow motion attacks on our king
502     score -= CloseEnemies * tropism;
503
504     if (T)
505         Trace::add(KING, Us, score);
506
507     return score;
508   }
509
510
511   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
512   // attacking and the attacked pieces.
513   template<Tracing T> template<Color Us>
514   Score Evaluation<T>::threats() const {
515
516     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
517     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
518     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
519
520     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe, restricted;
521     Score score = SCORE_ZERO;
522
523     // Non-pawn enemies
524     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
525
526     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
527     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
528     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
529                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
530
531     // Non-pawn enemies, strongly protected
532     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
533
534     // Enemies not strongly protected and under our attack
535     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
536
537     // Safe or protected squares
538     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
539
540     // Bonus according to the kind of attacking pieces
541     if (defended | weak)
542     {
543         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
544         while (b)
545         {
546             Square s = pop_lsb(&b);
547             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
548             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
549                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
550         }
551
552         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
553         while (b)
554         {
555             Square s = pop_lsb(&b);
556             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
557             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
558                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
559         }
560
561         if (weak & attackedBy[Us][KING])
562             score += ThreatByKing;
563
564         b =  ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]
565            | (nonPawnEnemies & attackedBy2[Us]);
566         score += Hanging * popcount(weak & b);
567     }
568
569     // Bonus for restricting their piece moves
570     restricted =   attackedBy[Them][ALL_PIECES]
571                 & ~stronglyProtected
572                 &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
573     score += RestrictedPiece * popcount(restricted);
574
575     // Bonus for enemy unopposed weak pawns
576     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
577         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
578
579     // Find squares where our pawns can push on the next move
580     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
581     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
582
583     // Keep only the squares which are relatively safe
584     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
585
586     // Bonus for safe pawn threats on the next move
587     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & pos.pieces(Them);
588     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
589
590     // Our safe or protected pawns
591     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
592
593     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
594     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
595
596     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
597     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
598     {
599         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
600         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
601
602         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
603
604         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
605
606         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
607            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
608
609         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
610     }
611
612     if (T)
613         Trace::add(THREAT, Us, score);
614
615     return score;
616   }
617
618   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
619   // pawns of the given color.
620
621   template<Tracing T> template<Color Us>
622   Score Evaluation<T>::passed() const {
623
624     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
625     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
626
627     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
628       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
629     };
630
631     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
632     Score score = SCORE_ZERO;
633
634     b = pe->passed_pawns(Us);
635
636     while (b)
637     {
638         Square s = pop_lsb(&b);
639
640         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
641
642         int r = relative_rank(Us, s);
643
644         Score bonus = PassedRank[r];
645
646         if (r > RANK_3)
647         {
648             int w = (r-2) * (r-2) + 2;
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         } // rank > RANK_3
690
691         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
692         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
693         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
694             || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
695             bonus = bonus / 2;
696
697         score += bonus + PassedFile[file_of(s)];
698     }
699
700     if (T)
701         Trace::add(PASSED, Us, score);
702
703     return score;
704   }
705
706
707   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
708   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
709   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
710   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
711   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
712   // improve play on game opening.
713
714   template<Tracing T> template<Color Us>
715   Score Evaluation<T>::space() const {
716
717     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
718         return SCORE_ZERO;
719
720     constexpr Color Them     = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
721     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
722     constexpr Bitboard SpaceMask =
723       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
724                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
725
726     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
727     Bitboard safe =   SpaceMask
728                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
729                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
730
731     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
732     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
733     behind |= shift<Down>(behind);
734     behind |= shift<Down>(shift<Down>(behind));
735
736     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe);
737     int weight =  pos.count<ALL_PIECES>(Us)
738                 - 2 * popcount(pe->semiopenFiles[WHITE] & pe->semiopenFiles[BLACK]);
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 =   9 * pe->pawn_asymmetry()
764                     + 11 * pos.count<PAWN>()
765                     +  9 * outflanking
766                     + 18 * pawnsOnBothFlanks
767                     + 49 * !pos.non_pawn_material()
768                     -121 ;
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 = 8 + 4 * pe->pawn_asymmetry();
797         else
798             sf = std::min(40 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide), sf);
799
800     }
801
802     return ScaleFactor(sf);
803   }
804
805
806   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
807   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
808   // of view of the side to move.
809
810   template<Tracing T>
811   Value Evaluation<T>::value() {
812
813     assert(!pos.checkers());
814
815     // Probe the material hash table
816     me = Material::probe(pos);
817
818     // If we have a specialized evaluation function for the current material
819     // configuration, call it and return.
820     if (me->specialized_eval_exists())
821         return me->evaluate(pos);
822
823     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
824     // the position object (material + piece square tables) and the material
825     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
826     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
827
828     // Probe the pawn hash table
829     pe = Pawns::probe(pos);
830     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
831
832     // Early exit if score is high
833     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
834     if (abs(v) > LazyThreshold)
835        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
836
837     // Main evaluation begins here
838
839     initialize<WHITE>();
840     initialize<BLACK>();
841
842     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
843     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
844             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
845             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
846             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
847
848     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
849
850     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
851             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
852             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
853             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
854
855     score += initiative(eg_value(score));
856
857     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
858     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
859     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
860        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
861
862     v /= int(PHASE_MIDGAME);
863
864     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
865     if (T)
866     {
867         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
868         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
869         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
870         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
871         Trace::add(TOTAL, score);
872     }
873
874     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
875            + Eval::Tempo;
876   }
877
878 } // namespace
879
880
881 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
882 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
883
884 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
885   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
886 }
887
888
889 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
890 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
891 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
892
893 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
894
895   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
896
897   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
898
899   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
900
901   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
902
903   std::stringstream ss;
904   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
905      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
906      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
907      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
908      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
909      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
910      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
911      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
912      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
913      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
914      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
915      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
916      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
917      << " King safety | " << Term(KING)
918      << "     Threats | " << Term(THREAT)
919      << "      Passed | " << Term(PASSED)
920      << "       Space | " << Term(SPACE)
921      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
922      << "       Total | " << Term(TOTAL);
923
924   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
925
926   return ss.str();
927 }