Code clean-up
[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( 13,  6);
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 = 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         if (weak & attackedBy[Us][KING])
555             score += ThreatByKing;
556
557         score += Hanging * popcount(weak & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
558
559         b = weak & nonPawnEnemies & attackedBy[Them][ALL_PIECES];
560         score += Overload * popcount(b);
561     }
562
563     // Bonus for enemy unopposed weak pawns
564     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
565         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
566
567     // Our safe or protected pawns
568     b =   pos.pieces(Us, PAWN)
569        & (~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
570
571     safeThreats = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
572     score += ThreatBySafePawn * popcount(safeThreats);
573
574     // Find squares where our pawns can push on the next move
575     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
576     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
577
578     // Keep only the squares which are relatively safe
579     b &= ~attackedBy[Them][PAWN]
580         & (attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
581
582     // Bonus for safe pawn threats on the next move
583     b =   pawn_attacks_bb<Us>(b)
584        &  pos.pieces(Them)
585        & ~attackedBy[Us][PAWN];
586
587     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
588
589     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
590     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
591     {
592         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
593         safeThreats = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
594
595         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
596
597         score += KnightOnQueen * popcount(b & safeThreats);
598
599         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
600            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
601
602         score += SliderOnQueen * popcount(b & safeThreats & attackedBy2[Us]);
603     }
604
605     if (T)
606         Trace::add(THREAT, Us, score);
607
608     return score;
609   }
610
611   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
612   // pawns of the given color.
613
614   template<Tracing T> template<Color Us>
615   Score Evaluation<T>::passed() const {
616
617     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
618     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
619
620     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
621       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
622     };
623
624     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
625     Score score = SCORE_ZERO;
626
627     b = pe->passed_pawns(Us);
628
629     while (b)
630     {
631         Square s = pop_lsb(&b);
632
633         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
634
635         bb = forward_file_bb(Us, s) & pos.pieces(Them);
636         score -= HinderPassedPawn * popcount(bb);
637
638         int r = relative_rank(Us, s);
639         int w = PassedDanger[r];
640
641         Score bonus = PassedRank[r];
642
643         if (w)
644         {
645             Square blockSq = s + Up;
646
647             // Adjust bonus based on the king's proximity
648             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
649                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
650
651             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
652             if (r != RANK_7)
653                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
654
655             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
656             if (pos.empty(blockSq))
657             {
658                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
659                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
660                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
661                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
662
663                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
664
665                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
666                     defendedSquares &= attackedBy[Us][ALL_PIECES];
667
668                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
669                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
670
671                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
672                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
673                 int k = !unsafeSquares ? 20 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
674
675                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
676                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
677                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
678                     k += 6;
679
680                 else if (defendedSquares & blockSq)
681                     k += 4;
682
683                 bonus += make_score(k * w, k * w);
684             }
685             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
686                 bonus += make_score(w + r * 2, w + r * 2);
687         } // w != 0
688
689         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
690         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
691         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
692             || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
693             bonus = bonus / 2;
694
695         score += bonus + PassedFile[file_of(s)];
696     }
697
698     if (T)
699         Trace::add(PASSED, Us, score);
700
701     return score;
702   }
703
704
705   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
706   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
707   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
708   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
709   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
710   // improve play on game opening.
711
712   template<Tracing T> template<Color Us>
713   Score Evaluation<T>::space() const {
714
715     constexpr Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
716     constexpr Bitboard SpaceMask =
717       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
718                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
719
720     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
721         return SCORE_ZERO;
722
723     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
724     Bitboard safe =   SpaceMask
725                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
726                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
727
728     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
729     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
730     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
731     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
732
733     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe);
734     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * pe->open_files();
735
736     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
737
738     if (T)
739         Trace::add(SPACE, Us, score);
740
741     return score;
742   }
743
744
745   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
746   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
747   // known attacking/defending status of the players.
748
749   template<Tracing T>
750   Score Evaluation<T>::initiative(Value eg) const {
751
752     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
753                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
754
755     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
756                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
757
758     // Compute the initiative bonus for the attacking side
759     int complexity =   8 * pe->pawn_asymmetry()
760                     + 12 * pos.count<PAWN>()
761                     + 12 * outflanking
762                     + 16 * pawnsOnBothFlanks
763                     + 48 * !pos.non_pawn_material()
764                     -136 ;
765
766     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
767     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
768     // that the endgame score will never change sign after the bonus.
769     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
770
771     if (T)
772         Trace::add(INITIATIVE, make_score(0, v));
773
774     return make_score(0, v);
775   }
776
777
778   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
779
780   template<Tracing T>
781   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
782
783     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
784     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
785
786     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
787     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
788     {
789         if (   pos.opposite_bishops()
790             && pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
791             && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
792             sf = 31;
793         else
794             sf = std::min(40 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide), sf);
795     }
796
797     return ScaleFactor(sf);
798   }
799
800
801   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
802   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
803   // of view of the side to move.
804
805   template<Tracing T>
806   Value Evaluation<T>::value() {
807
808     assert(!pos.checkers());
809
810     // Probe the material hash table
811     me = Material::probe(pos);
812
813     // If we have a specialized evaluation function for the current material
814     // configuration, call it and return.
815     if (me->specialized_eval_exists())
816         return me->evaluate(pos);
817
818     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
819     // the position object (material + piece square tables) and the material
820     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
821     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
822
823     // Probe the pawn hash table
824     pe = Pawns::probe(pos);
825     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
826
827     // Early exit if score is high
828     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
829     if (abs(v) > LazyThreshold)
830        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
831
832     // Main evaluation begins here
833
834     initialize<WHITE>();
835     initialize<BLACK>();
836
837     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
838     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
839             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
840             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
841             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
842
843     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
844
845     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
846             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
847             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
848             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
849
850     score += initiative(eg_value(score));
851
852     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
853     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
854     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
855        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
856
857     v /= int(PHASE_MIDGAME);
858
859     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
860     if (T)
861     {
862         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
863         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
864         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
865         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
866         Trace::add(TOTAL, score);
867     }
868
869     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
870            + Eval::Tempo;
871   }
872
873 } // namespace
874
875
876 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
877 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
878
879 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
880   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
881 }
882
883
884 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
885 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
886 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
887
888 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
889
890   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
891
892   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
893
894   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
895
896   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
897
898   std::stringstream ss;
899   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
900      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
901      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
902      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
903      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
904      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
905      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
906      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
907      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
908      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
909      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
910      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
911      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
912      << " King safety | " << Term(KING)
913      << "     Threats | " << Term(THREAT)
914      << "      Passed | " << Term(PASSED)
915      << "       Space | " << Term(SPACE)
916      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
917      << "       Total | " << Term(TOTAL);
918
919   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
920
921   return ss.str();
922 }