Remove supporting pawns
[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) 2008-2014 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5
6   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
7   it under the terms of the GNU General Public License as published by
8   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
9   (at your option) any later version.
10
11   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
12   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
14   GNU General Public License for more details.
15
16   You should have received a copy of the GNU General Public License
17   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
18 */
19
20 #include <cassert>
21 #include <iomanip>
22 #include <sstream>
23 #include <algorithm>
24
25 #include "bitcount.h"
26 #include "evaluate.h"
27 #include "material.h"
28 #include "pawns.h"
29 #include "thread.h"
30 #include "ucioption.h"
31
32 namespace {
33
34   // Struct EvalInfo contains various information computed and collected
35   // by the evaluation functions.
36   struct EvalInfo {
37
38     // Pointers to material and pawn hash table entries
39     Material::Entry* mi;
40     Pawns::Entry* pi;
41
42     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
43     // attacked by a given color and piece type, attackedBy[color][ALL_PIECES]
44     // contains all squares attacked by the given color.
45     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
46
47     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
48     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
49     // adjacent to the king, and the three (or two, for a king on an edge file)
50     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
51     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
52     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
53     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
54
55     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
56     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
57     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
58
59     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weight" of the pieces of the
60     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
61     // weights of the individual piece types are given by the variables
62     // QueenAttackWeight, RookAttackWeight, BishopAttackWeight and
63     // KnightAttackWeight in evaluate.cpp
64     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
65
66     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks to squares
67     // directly adjacent to the king of the given color. Pieces which attack
68     // more than one square are counted multiple times. For instance, if black's
69     // king is on g8 and there's a white knight on g5, this knight adds
70     // 2 to kingAdjacentZoneAttacksCount[BLACK].
71     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
72
73     Bitboard pinnedPieces[COLOR_NB];
74   };
75
76   namespace Tracing {
77
78     enum Terms { // First 8 entries are for PieceType
79       PST = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, TOTAL, TERMS_NB
80     };
81
82     Score terms[COLOR_NB][TERMS_NB];
83     EvalInfo ei;
84     ScaleFactor sf;
85
86     double to_cp(Value v);
87     void add_term(int idx, Score term_w, Score term_b = SCORE_ZERO);
88     void format_row(std::stringstream& ss, const char* name, int idx);
89     std::string do_trace(const Position& pos);
90   }
91
92   // Evaluation weights, initialized from UCI options
93   enum { Mobility, PawnStructure, PassedPawns, Space, KingDangerUs, KingDangerThem };
94   struct Weight { int mg, eg; } Weights[6];
95
96   typedef Value V;
97   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
98
99   // Internal evaluation weights. These are applied on top of the evaluation
100   // weights read from UCI parameters. The purpose is to be able to change
101   // the evaluation weights while keeping the default values of the UCI
102   // parameters at 100, which looks prettier.
103   //
104   // Values modified by Joona Kiiski
105   const Score WeightsInternal[] = {
106     S(289, 344), S(233, 201), S(221, 273), S(46, 0), S(271, 0), S(307, 0)
107   };
108
109   // MobilityBonus[PieceType][attacked] contains bonuses for middle and end
110   // game, indexed by piece type and number of attacked squares not occupied by
111   // friendly pieces.
112   const Score MobilityBonus[][32] = {
113     {}, {},
114     { S(-65,-50), S(-42,-30), S(-9,-10), S( 3,  0), S(15, 10), S(27, 20), // Knights
115       S( 37, 28), S( 42, 31), S(44, 33) },
116     { S(-52,-47), S(-28,-23), S( 6,  1), S(20, 15), S(34, 29), S(48, 43), // Bishops
117       S( 60, 55), S( 68, 63), S(74, 68), S(77, 72), S(80, 75), S(82, 77),
118       S( 84, 79), S( 86, 81) },
119     { S(-47,-53), S(-31,-26), S(-5,  0), S( 1, 16), S( 7, 32), S(13, 48), // Rooks
120       S( 18, 64), S( 22, 80), S(26, 96), S(29,109), S(31,115), S(33,119),
121       S( 35,122), S( 36,123), S(37,124) },
122     { S(-42,-40), S(-28,-23), S(-5, -7), S( 0,  0), S( 6, 10), S(11, 19), // Queens
123       S( 13, 29), S( 18, 38), S(20, 40), S(21, 41), S(22, 41), S(22, 41),
124       S( 22, 41), S( 23, 41), S(24, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41),
125       S( 25, 41), S( 25, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41),
126       S( 25, 41), S( 25, 41), S(25, 41), S(25, 41) }
127   };
128
129   // Outpost[PieceType][Square] contains bonuses for knights and bishops outposts,
130   // indexed by piece type and square (from white's point of view).
131   const Value Outpost[][SQUARE_NB] = {
132   {// A     B     C     D     E     F     G     H
133     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), // Knights
134     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0),
135     V(0), V(0), V(4), V(8), V(8), V(4), V(0), V(0),
136     V(0), V(4),V(17),V(26),V(26),V(17), V(4), V(0),
137     V(0), V(8),V(26),V(35),V(35),V(26), V(8), V(0),
138     V(0), V(4),V(17),V(17),V(17),V(17), V(4), V(0) },
139   {
140     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), // Bishops
141     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0),
142     V(0), V(0), V(5), V(5), V(5), V(5), V(0), V(0),
143     V(0), V(5),V(10),V(10),V(10),V(10), V(5), V(0),
144     V(0),V(10),V(21),V(21),V(21),V(21),V(10), V(0),
145     V(0), V(5), V(8), V(8), V(8), V(8), V(5), V(0) }
146   };
147
148   // Threat[attacking][attacked] contains bonuses according to which piece
149   // type attacks which one.
150   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
151     { S(0, 0), S( 7, 39), S(24, 49), S(24, 49), S(41,100), S(41,100) }, // Minor
152     { S(0, 0), S(15, 39), S(15, 45), S(15, 45), S(15, 45), S(24, 49) }  // Major
153   };
154
155   // ThreatenedByPawn[PieceType] contains a penalty according to which piece
156   // type is attacked by an enemy pawn.
157   const Score ThreatenedByPawn[] = {
158     S(0, 0), S(0, 0), S(56, 70), S(56, 70), S(76, 99), S(86, 118)
159   };
160
161   #undef S
162
163   const Score Tempo            = make_score(24, 11);
164   const Score RookOn7th        = make_score(11, 20);
165   const Score RookOnPawn       = make_score(10, 28);
166   const Score RookOpenFile     = make_score(43, 21);
167   const Score RookSemiopenFile = make_score(19, 10);
168   const Score BishopPawns      = make_score( 8, 12);
169   const Score KnightPawns      = make_score( 8,  4);
170   const Score MinorBehindPawn  = make_score(16,  0);
171   const Score UndefendedMinor  = make_score(25, 10);
172   const Score TrappedRook      = make_score(90,  0);
173   const Score Unstoppable      = make_score( 0, 20);
174
175   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
176   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
177   // happen in Chess960 games.
178   const Score TrappedBishopA1H1 = make_score(50, 50);
179
180   // SpaceMask[Color] contains the area of the board which is considered
181   // by the space evaluation. In the middlegame, each side is given a bonus
182   // based on how many squares inside this area are safe and available for
183   // friendly minor pieces.
184   const Bitboard SpaceMask[] = {
185     (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB),
186     (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB)
187   };
188
189   // King danger constants and variables. The king danger scores are taken
190   // from KingDanger[]. Various little "meta-bonuses" measuring the strength
191   // of the enemy attack are added up into an integer, which is used as an
192   // index to KingDanger[].
193   //
194   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
195   const int KingAttackWeights[] = { 0, 0, 2, 2, 3, 5 };
196
197   // Bonuses for enemy's safe checks
198   const int QueenContactCheck = 24;
199   const int RookContactCheck  = 16;
200   const int QueenCheck        = 12;
201   const int RookCheck         = 8;
202   const int BishopCheck       = 2;
203   const int KnightCheck       = 3;
204
205   // KingDanger[Color][attackUnits] contains the actual king danger weighted
206   // scores, indexed by color and by a calculated integer number.
207   Score KingDanger[COLOR_NB][128];
208
209
210   // apply_weight() weighs score 'v' by weight 'w' trying to prevent overflow
211   Score apply_weight(Score v, const Weight& w) {
212     return make_score(mg_value(v) * w.mg / 256, eg_value(v) * w.eg / 256);
213   }
214
215
216   // weight_option() computes the value of an evaluation weight, by combining
217   // two UCI-configurable weights (midgame and endgame) with an internal weight.
218
219   Weight weight_option(const std::string& mgOpt, const std::string& egOpt, Score internalWeight) {
220
221     Weight w = { Options[mgOpt] * mg_value(internalWeight) / 100,
222                  Options[egOpt] * eg_value(internalWeight) / 100 };
223     return w;
224   }
225
226
227   // interpolate() interpolates between a middlegame and an endgame score,
228   // based on game phase. It also scales the return value by a ScaleFactor array.
229
230   Value interpolate(const Score& v, Phase ph, ScaleFactor sf) {
231
232     assert(-VALUE_INFINITE < mg_value(v) && mg_value(v) < VALUE_INFINITE);
233     assert(-VALUE_INFINITE < eg_value(v) && eg_value(v) < VALUE_INFINITE);
234     assert(PHASE_ENDGAME <= ph && ph <= PHASE_MIDGAME);
235
236     int eg = (eg_value(v) * int(sf)) / SCALE_FACTOR_NORMAL;
237     return Value((mg_value(v) * int(ph) + eg * int(PHASE_MIDGAME - ph)) / PHASE_MIDGAME);
238   }
239
240
241   // init_eval_info() initializes king bitboards for given color adding
242   // pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
243
244   template<Color Us>
245   void init_eval_info(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
246
247     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
248     const Square Down = (Us == WHITE ? DELTA_S : DELTA_N);
249
250     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
251
252     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.king_square(Them));
253     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
254
255     // Init king safety tables only if we are going to use them
256     if (pos.count<QUEEN>(Us) && pos.non_pawn_material(Us) > QueenValueMg + PawnValueMg)
257     {
258         ei.kingRing[Them] = b | shift_bb<Down>(b);
259         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
260         ei.kingAttackersCount[Us] = b ? popcount<Max15>(b) : 0;
261         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
262     }
263     else
264         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
265   }
266
267
268   // evaluate_outposts() evaluates bishop and knight outpost squares
269
270   template<PieceType Pt, Color Us>
271   Score evaluate_outposts(const Position& pos, EvalInfo& ei, Square s) {
272
273     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
274
275     assert (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT);
276
277     // Initial bonus based on square
278     Value bonus = Outpost[Pt == BISHOP][relative_square(Us, s)];
279
280     // Increase bonus if supported by pawn, especially if the opponent has
281     // no minor piece which can trade with the outpost piece.
282     if (bonus && (ei.attackedBy[Us][PAWN] & s))
283     {
284         if (   !pos.pieces(Them, KNIGHT)
285             && !(squares_of_color(s) & pos.pieces(Them, BISHOP)))
286             bonus += bonus + bonus / 2;
287         else
288             bonus += bonus / 2;
289     }
290
291     return make_score(bonus, bonus);
292   }
293
294
295   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given color
296
297   template<PieceType Pt, Color Us, bool Trace>
298   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility, Bitboard* mobilityArea) {
299
300     Bitboard b;
301     Square s;
302     Score score = SCORE_ZERO;
303
304     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
305     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
306     const Square* pl = pos.list<Pt>(Us);
307
308     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
309
310     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
311     {
312         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
313         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
314           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
315                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
316
317         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
318             b &= LineBB[pos.king_square(Us)][s];
319
320         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
321
322         if (b & ei.kingRing[Them])
323         {
324             ei.kingAttackersCount[Us]++;
325             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
326             Bitboard bb = b & ei.attackedBy[Them][KING];
327             if (bb)
328                 ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount<Max15>(bb);
329         }
330
331         if (Pt == QUEEN)
332             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
333                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
334                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
335
336         int mob = Pt != QUEEN ? popcount<Max15>(b & mobilityArea[Us])
337                               : popcount<Full >(b & mobilityArea[Us]);
338
339         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
340
341         // Decrease score if we are attacked by an enemy pawn. The remaining part
342         // of threat evaluation must be done later when we have full attack info.
343         if (ei.attackedBy[Them][PAWN] & s)
344             score -= ThreatenedByPawn[Pt];
345
346         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
347         {
348             // Penalty for bishop with same colored pawns
349             if (Pt == BISHOP)
350                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
351
352             // Penalty for knight when there are few enemy pawns
353             if (Pt == KNIGHT)
354                 score -= KnightPawns * std::max(5 - pos.count<PAWN>(Them), 0);
355
356             // Bishop and knight outposts squares
357             if (!(pos.pieces(Them, PAWN) & pawn_attack_span(Us, s)))
358                 score += evaluate_outposts<Pt, Us>(pos, ei, s);
359
360             // Bishop or knight behind a pawn
361             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
362                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
363                 score += MinorBehindPawn;
364         }
365
366         if (Pt == ROOK)
367         {
368             // Rook on 7th rank and enemy king trapped on 8th
369             if (   relative_rank(Us, s) == RANK_7
370                 && relative_rank(Us, pos.king_square(Them)) == RANK_8)
371                 score += RookOn7th;
372
373             // Rook piece attacking enemy pawns on the same rank/file
374             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
375             {
376                 Bitboard pawns = pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s];
377                 if (pawns)
378                     score += popcount<Max15>(pawns) * RookOnPawn;
379             }
380
381             // Give a bonus for a rook on a open or semi-open file
382             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
383                 score += ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s)) ? RookOpenFile : RookSemiopenFile;
384
385             if (mob > 3 || ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
386                 continue;
387
388             Square ksq = pos.king_square(Us);
389
390             // Penalize rooks which are trapped by a king. Penalize more if the
391             // king has lost its castling capability.
392             if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
393                 && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
394                 && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
395                 score -= (TrappedRook - make_score(mob * 8, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
396         }
397
398         // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
399         // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
400         // when that pawn is also blocked.
401         if (   Pt == BISHOP
402             && pos.is_chess960()
403             && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
404         {
405             Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? DELTA_E : DELTA_W);
406             if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
407                 score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
408                         : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
409                                                                           : TrappedBishopA1H1;
410         }
411     }
412
413     if (Trace)
414         Tracing::terms[Us][Pt] = score;
415
416     return score - evaluate_pieces<NextPt, Them, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
417   }
418
419   template<>
420   Score evaluate_pieces<KING, WHITE, false>(const Position&, EvalInfo&, Score*, Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
421   template<>
422   Score evaluate_pieces<KING, WHITE,  true>(const Position&, EvalInfo&, Score*, Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
423
424
425   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
426
427   template<Color Us, bool Trace>
428   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
429
430     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
431
432     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe;
433     int attackUnits;
434     const Square ksq = pos.king_square(Us);
435
436     // King shelter and enemy pawns storm
437     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
438
439     // Main king safety evaluation
440     if (ei.kingAttackersCount[Them])
441     {
442         // Find the attacked squares around the king which have no defenders
443         // apart from the king itself
444         undefended =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
445                     & ei.attackedBy[Us][KING]
446                     & ~(  ei.attackedBy[Us][PAWN]   | ei.attackedBy[Us][KNIGHT]
447                         | ei.attackedBy[Us][BISHOP] | ei.attackedBy[Us][ROOK]
448                         | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
449
450         // Initialize the 'attackUnits' variable, which is used later on as an
451         // index to the KingDanger[] array. The initial value is based on the
452         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
453         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
454         // the pawn shelter (current 'score' value).
455         attackUnits =  std::min(20, (ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them]) / 2)
456                      + 3 * (ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them] + popcount<Max15>(undefended))
457                      + 2 * (ei.pinnedPieces[Us] != 0)
458                      - mg_value(score) / 32;
459
460         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
461         // undefended squares around the king that are attacked by the enemy's
462         // queen...
463         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
464         if (b)
465         {
466             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
467             b &= (  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
468                   | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
469
470             if (b)
471                 attackUnits +=  QueenContactCheck
472                               * popcount<Max15>(b)
473                               * (Them == pos.side_to_move() ? 2 : 1);
474         }
475
476         // Analyse the enemy's safe rook contact checks. Firstly, find the
477         // undefended squares around the king that are attacked by the enemy's
478         // rooks...
479         b = undefended & ei.attackedBy[Them][ROOK] & ~pos.pieces(Them);
480
481         // Consider only squares where the enemy's rook gives check
482         b &= PseudoAttacks[ROOK][ksq];
483
484         if (b)
485         {
486             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
487             b &= (  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
488                   | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][QUEEN]);
489
490             if (b)
491                 attackUnits +=  RookContactCheck
492                               * popcount<Max15>(b)
493                               * (Them == pos.side_to_move() ? 2 : 1);
494         }
495
496         // Analyse the enemy's safe distance checks for sliders and knights
497         safe = ~(pos.pieces(Them) | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
498
499         b1 = pos.attacks_from<ROOK>(ksq) & safe;
500         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq) & safe;
501
502         // Enemy queen safe checks
503         b = (b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN];
504         if (b)
505             attackUnits += QueenCheck * popcount<Max15>(b);
506
507         // Enemy rooks safe checks
508         b = b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK];
509         if (b)
510             attackUnits += RookCheck * popcount<Max15>(b);
511
512         // Enemy bishops safe checks
513         b = b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP];
514         if (b)
515             attackUnits += BishopCheck * popcount<Max15>(b);
516
517         // Enemy knights safe checks
518         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT] & safe;
519         if (b)
520             attackUnits += KnightCheck * popcount<Max15>(b);
521
522         // To index KingDanger[] attackUnits must be in [0, 99] range
523         attackUnits = std::min(99, std::max(0, attackUnits));
524
525         // Finally, extract the king danger score from the KingDanger[]
526         // array and subtract the score from evaluation.
527         score -= KingDanger[Us == Search::RootColor][attackUnits];
528     }
529
530     if (Trace)
531         Tracing::terms[Us][KING] = score;
532
533     return score;
534   }
535
536
537   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the type of attacking piece
538   // and the type of attacked one.
539
540   template<Color Us, bool Trace>
541   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
542
543     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
544
545     Bitboard b, undefendedMinors, weakEnemies;
546     Score score = SCORE_ZERO;
547
548     // Undefended minors get penalized even if they are not under attack
549     undefendedMinors =  pos.pieces(Them, BISHOP, KNIGHT)
550                       & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES];
551
552     if (undefendedMinors)
553         score += UndefendedMinor;
554
555     // Enemy pieces not defended by a pawn and under our attack
556     weakEnemies =  pos.pieces(Them)
557                  & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
558                  & ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
559
560     // Add a bonus according if the attacking pieces are minor or major
561     if (weakEnemies)
562     {
563         b = weakEnemies & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
564         if (b)
565             score += Threat[0][type_of(pos.piece_on(lsb(b)))];
566
567         b = weakEnemies & (ei.attackedBy[Us][ROOK] | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
568         if (b)
569             score += Threat[1][type_of(pos.piece_on(lsb(b)))];
570     }
571
572     if (Trace)
573         Tracing::terms[Us][Tracing::THREAT] = score;
574
575     return score;
576   }
577
578
579   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
580
581   template<Color Us, bool Trace>
582   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
583
584     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
585
586     Bitboard b, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
587     Score score = SCORE_ZERO;
588
589     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
590
591     while (b)
592     {
593         Square s = pop_lsb(&b);
594
595         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
596
597         int r = int(relative_rank(Us, s) - RANK_2);
598         int rr = r * (r - 1);
599
600         // Base bonus based on rank
601         Value mbonus = Value(17 * rr);
602         Value ebonus = Value(7 * (rr + r + 1));
603
604         if (rr)
605         {
606             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
607
608             // Adjust bonus based on the king's proximity
609             ebonus +=  Value(square_distance(pos.king_square(Them), blockSq) * 5 * rr)
610                      - Value(square_distance(pos.king_square(Us  ), blockSq) * 2 * rr);
611
612             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
613             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
614                 ebonus -= Value(rr * square_distance(pos.king_square(Us), blockSq + pawn_push(Us)));
615
616             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
617             if (pos.empty(blockSq))
618             {
619                 squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
620
621                 // If there is an enemy rook or queen attacking the pawn from behind,
622                 // add all X-ray attacks by the rook or queen. Otherwise consider only
623                 // the squares in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
624                 if (    unlikely(forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Them, ROOK, QUEEN))
625                     && (forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Them, ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s)))
626                     unsafeSquares = squaresToQueen;
627                 else
628                     unsafeSquares = squaresToQueen & (ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
629
630                 if (    unlikely(forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
631                     && (forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s)))
632                     defendedSquares = squaresToQueen;
633                 else
634                     defendedSquares = squaresToQueen & ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
635
636                 // If there aren't any enemy attacks, then assign a huge bonus.
637                 // The bonus will be a bit smaller if at least the block square
638                 // isn't attacked, otherwise assign the smallest possible bonus.
639                 int k = !unsafeSquares ? 15 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 3;
640
641                 // Assign a big bonus if the path to the queen is fully defended,
642                 // otherwise assign a bit less of a bonus if at least the block
643                 // square is defended.
644                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
645                     k += 6;
646
647                 else if (defendedSquares & blockSq)
648                     k += (unsafeSquares & defendedSquares) == unsafeSquares ? 4 : 2;
649
650                 mbonus += Value(k * rr), ebonus += Value(k * rr);
651             }
652         } // rr != 0
653
654         // Rook pawns are a special case: They are sometimes worse, and
655         // sometimes better than other passed pawns. It is difficult to find
656         // good rules for determining whether they are good or bad. For now,
657         // we try the following: Increase the value for rook pawns if the
658         // other side has no pieces apart from a knight, and decrease the
659         // value if the other side has a rook or queen.
660         if (file_of(s) == FILE_A || file_of(s) == FILE_H)
661         {
662             if (pos.non_pawn_material(Them) <= KnightValueMg)
663                 ebonus += ebonus / 4;
664
665             else if (pos.pieces(Them, ROOK, QUEEN))
666                 ebonus -= ebonus / 4;
667         }
668
669         if (pos.count<PAWN>(Us) < pos.count<PAWN>(Them))
670             ebonus += ebonus / 4;
671
672         score += make_score(mbonus, ebonus);
673     }
674
675     if (Trace)
676         Tracing::terms[Us][Tracing::PASSED] = apply_weight(score, Weights[PassedPawns]);
677
678     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
679     return apply_weight(score, Weights[PassedPawns]);
680   }
681
682
683   // evaluate_unstoppable_pawns() scores the most advanced among the passed and
684   // candidate pawns. In case opponent has no pieces but pawns, this is somewhat
685   // related to the possibility that pawns are unstoppable.
686
687   Score evaluate_unstoppable_pawns(const Position& pos, Color us, const EvalInfo& ei) {
688
689     Bitboard b = ei.pi->passed_pawns(us) | ei.pi->candidate_pawns(us);
690
691     if (!b || pos.non_pawn_material(~us))
692         return SCORE_ZERO;
693
694     return Unstoppable * int(relative_rank(us, frontmost_sq(us, b)));
695   }
696
697
698   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
699   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
700   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
701   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
702   // twice. Finally, the space bonus is scaled by a weight taken from the
703   // material hash table. The aim is to improve play on game opening.
704   template<Color Us>
705   int evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
706
707     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
708
709     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
710     // SpaceMask[]. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
711     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
712     Bitboard safe =   SpaceMask[Us]
713                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
714                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
715                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
716
717     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
718     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
719     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
720     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
721
722     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board
723     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
724
725     // Count safe + (behind & safe) with a single popcount
726     return popcount<Full>((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
727   }
728
729
730   // do_evaluate() is the evaluation entry point, called directly from evaluate()
731
732   template<bool Trace>
733   Value do_evaluate(const Position& pos) {
734
735     assert(!pos.checkers());
736
737     EvalInfo ei;
738     Score score, mobility[2] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
739     Thread* thisThread = pos.this_thread();
740
741     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included
742     // in the position object (material + piece square tables) and adding a
743     // Tempo bonus. Score is computed from the point of view of white.
744     score = pos.psq_score() + (pos.side_to_move() == WHITE ? Tempo : -Tempo);
745
746     // Probe the material hash table
747     ei.mi = Material::probe(pos, thisThread->materialTable, thisThread->endgames);
748     score += ei.mi->material_value();
749
750     // If we have a specialized evaluation function for the current material
751     // configuration, call it and return.
752     if (ei.mi->specialized_eval_exists())
753         return ei.mi->evaluate(pos);
754
755     // Probe the pawn hash table
756     ei.pi = Pawns::probe(pos, thisThread->pawnsTable);
757     score += apply_weight(ei.pi->pawns_value(), Weights[PawnStructure]);
758
759     // Initialize attack and king safety bitboards
760     init_eval_info<WHITE>(pos, ei);
761     init_eval_info<BLACK>(pos, ei);
762
763     ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[WHITE][KING];
764     ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[BLACK][KING];
765
766     // Do not include in mobility squares protected by enemy pawns or occupied by our pieces
767     Bitboard mobilityArea[] = { ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | pos.pieces(WHITE, PAWN, KING)),
768                                 ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | pos.pieces(BLACK, PAWN, KING)) };
769
770     // Evaluate pieces and mobility
771     score += evaluate_pieces<KNIGHT, WHITE, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
772     score += apply_weight(mobility[WHITE] - mobility[BLACK], Weights[Mobility]);
773
774     // Evaluate kings after all other pieces because we need complete attack
775     // information when computing the king safety evaluation.
776     score +=  evaluate_king<WHITE, Trace>(pos, ei)
777             - evaluate_king<BLACK, Trace>(pos, ei);
778
779     // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
780     score +=  evaluate_threats<WHITE, Trace>(pos, ei)
781             - evaluate_threats<BLACK, Trace>(pos, ei);
782
783     // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
784     score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, Trace>(pos, ei)
785             - evaluate_passed_pawns<BLACK, Trace>(pos, ei);
786
787     // If one side has only a king, score for potential unstoppable pawns
788     if (!pos.non_pawn_material(WHITE) || !pos.non_pawn_material(BLACK))
789         score +=  evaluate_unstoppable_pawns(pos, WHITE, ei)
790                 - evaluate_unstoppable_pawns(pos, BLACK, ei);
791
792     // Evaluate space for both sides, only in middlegame
793     if (ei.mi->space_weight())
794     {
795         int s = evaluate_space<WHITE>(pos, ei) - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
796         score += apply_weight(s * ei.mi->space_weight(), Weights[Space]);
797     }
798
799     // Scale winning side if position is more drawish than it appears
800     ScaleFactor sf = eg_value(score) > VALUE_DRAW ? ei.mi->scale_factor(pos, WHITE)
801                                                   : ei.mi->scale_factor(pos, BLACK);
802
803     // If we don't already have an unusual scale factor, check for opposite
804     // colored bishop endgames, and use a lower scale for those.
805     if (    ei.mi->game_phase() < PHASE_MIDGAME
806         &&  pos.opposite_bishops()
807         && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
808     {
809         // Ignoring any pawns, do both sides only have a single bishop and no
810         // other pieces?
811         if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
812             && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
813         {
814             // Check for KBP vs KB with only a single pawn that is almost
815             // certainly a draw or at least two pawns.
816             bool one_pawn = (pos.count<PAWN>(WHITE) + pos.count<PAWN>(BLACK) == 1);
817             sf = one_pawn ? ScaleFactor(8) : ScaleFactor(32);
818         }
819         else
820             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
821             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
822              sf = ScaleFactor(50 * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL);
823     }
824
825     Value v = interpolate(score, ei.mi->game_phase(), sf);
826
827     // In case of tracing add all single evaluation contributions for both white and black
828     if (Trace)
829     {
830         Tracing::add_term(Tracing::PST, pos.psq_score());
831         Tracing::add_term(Tracing::IMBALANCE, ei.mi->material_value());
832         Tracing::add_term(PAWN, ei.pi->pawns_value());
833         Tracing::add_term(Tracing::MOBILITY, apply_weight(mobility[WHITE], Weights[Mobility])
834                                            , apply_weight(mobility[BLACK], Weights[Mobility]));
835         Score w = ei.mi->space_weight() * evaluate_space<WHITE>(pos, ei);
836         Score b = ei.mi->space_weight() * evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
837         Tracing::add_term(Tracing::SPACE, apply_weight(w, Weights[Space]), apply_weight(b, Weights[Space]));
838         Tracing::add_term(Tracing::TOTAL, score);
839         Tracing::ei = ei;
840         Tracing::sf = sf;
841     }
842
843     return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
844   }
845
846
847   // Tracing function definitions
848
849   double Tracing::to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
850
851   void Tracing::add_term(int idx, Score wScore, Score bScore) {
852
853     terms[WHITE][idx] = wScore;
854     terms[BLACK][idx] = bScore;
855   }
856
857   void Tracing::format_row(std::stringstream& ss, const char* name, int idx) {
858
859     Score wScore = terms[WHITE][idx];
860     Score bScore = terms[BLACK][idx];
861
862     switch (idx) {
863     case PST: case IMBALANCE: case PAWN: case TOTAL:
864         ss << std::setw(20) << name << " |   ---   --- |   ---   --- | "
865            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(wScore - bScore)) << " "
866            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(wScore - bScore)) << " \n";
867         break;
868     default:
869         ss << std::setw(20) << name << " | " << std::noshowpos
870            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(wScore)) << " "
871            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(wScore)) << " | "
872            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(bScore)) << " "
873            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(bScore)) << " | "
874            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(wScore - bScore)) << " "
875            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(wScore - bScore)) << " \n";
876     }
877   }
878
879   std::string Tracing::do_trace(const Position& pos) {
880
881     std::memset(terms, 0, sizeof(terms));
882
883     Value v = do_evaluate<true>(pos);
884     v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
885
886     std::stringstream ss;
887     ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
888        << "           Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
889        << "                     |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
890        << "---------------------+-------------+-------------+-------------\n";
891
892     format_row(ss, "Material, PST, Tempo", PST);
893     format_row(ss, "Material imbalance", IMBALANCE);
894     format_row(ss, "Pawns", PAWN);
895     format_row(ss, "Knights", KNIGHT);
896     format_row(ss, "Bishops", BISHOP);
897     format_row(ss, "Rooks", ROOK);
898     format_row(ss, "Queens", QUEEN);
899     format_row(ss, "Mobility", MOBILITY);
900     format_row(ss, "King safety", KING);
901     format_row(ss, "Threats", THREAT);
902     format_row(ss, "Passed pawns", PASSED);
903     format_row(ss, "Space", SPACE);
904
905     ss << "---------------------+-------------+-------------+-------------\n";
906     format_row(ss, "Total", TOTAL);
907
908     ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
909
910     return ss.str();
911   }
912
913 } // namespace
914
915
916 namespace Eval {
917
918   /// evaluate() is the main evaluation function. It returns a static evaluation
919   /// of the position always from the point of view of the side to move.
920
921   Value evaluate(const Position& pos) {
922     return do_evaluate<false>(pos);
923   }
924
925
926   /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
927   /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
928   /// descriptions and values of each evaluation term. It's mainly used for
929   /// debugging.
930   std::string trace(const Position& pos) {
931     return Tracing::do_trace(pos);
932   }
933
934
935   /// init() computes evaluation weights from the corresponding UCI parameters
936   /// and setup king tables.
937
938   void init() {
939
940     Weights[Mobility]       = weight_option("Mobility (Midgame)", "Mobility (Endgame)", WeightsInternal[Mobility]);
941     Weights[PawnStructure]  = weight_option("Pawn Structure (Midgame)", "Pawn Structure (Endgame)", WeightsInternal[PawnStructure]);
942     Weights[PassedPawns]    = weight_option("Passed Pawns (Midgame)", "Passed Pawns (Endgame)", WeightsInternal[PassedPawns]);
943     Weights[Space]          = weight_option("Space", "Space", WeightsInternal[Space]);
944     Weights[KingDangerUs]   = weight_option("Cowardice", "Cowardice", WeightsInternal[KingDangerUs]);
945     Weights[KingDangerThem] = weight_option("Aggressiveness", "Aggressiveness", WeightsInternal[KingDangerThem]);
946
947     const int MaxSlope = 30;
948     const int Peak = 1280;
949
950     for (int t = 0, i = 1; i < 100; ++i)
951     {
952         t = std::min(Peak, std::min(int(0.4 * i * i), t + MaxSlope));
953
954         KingDanger[1][i] = apply_weight(make_score(t, 0), Weights[KingDangerUs]);
955         KingDanger[0][i] = apply_weight(make_score(t, 0), Weights[KingDangerThem]);
956     }
957   }
958
959 } // namespace Eval