7d5d435a547fe16d4fcb987f0814ad12c4733da1
[stockfish] / src / evaluate.cpp
1 /*
2   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
3   Copyright (C) 2004-2008 Tord Romstad (Glaurung author)
4   Copyright (C) 2008-2015 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5   Copyright (C) 2015-2018 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
6
7   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
10   (at your option) any later version.
11
12   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15   GNU General Public License for more details.
16
17   You should have received a copy of the GNU General Public License
18   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19 */
20
21 #include <algorithm>
22 #include <cassert>
23 #include <cstring>   // For std::memset
24 #include <iomanip>
25 #include <sstream>
26
27 #include "bitboard.h"
28 #include "evaluate.h"
29 #include "material.h"
30 #include "pawns.h"
31
32 namespace {
33
34   const Bitboard Center      = (FileDBB | FileEBB) & (Rank4BB | Rank5BB);
35   const Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
36   const Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
37   const Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
38
39   const Bitboard KingFlank[FILE_NB] = {
40     QueenSide, QueenSide, QueenSide, CenterFiles, CenterFiles, KingSide, KingSide, KingSide
41   };
42
43   namespace Trace {
44
45     enum Tracing {NO_TRACE, TRACE};
46
47     enum Term { // The first 8 entries are for PieceType
48       MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, INITIATIVE, TOTAL, TERM_NB
49     };
50
51     double scores[TERM_NB][COLOR_NB][PHASE_NB];
52
53     double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
54
55     void add(int idx, Color c, Score s) {
56       scores[idx][c][MG] = to_cp(mg_value(s));
57       scores[idx][c][EG] = to_cp(eg_value(s));
58     }
59
60     void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
61       add(idx, WHITE, w); add(idx, BLACK, b);
62     }
63
64     std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
65
66       if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == Term(PAWN) || t == INITIATIVE || t == TOTAL)
67           os << "  ---   --- |   ---   --- | ";
68       else
69           os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] << " "
70              << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] << " | "
71              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][MG] << " "
72              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][EG] << " | ";
73
74       os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] - scores[t][BLACK][MG] << " "
75          << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] - scores[t][BLACK][EG] << " \n";
76
77       return os;
78     }
79   }
80
81   using namespace Trace;
82
83   // Evaluation class contains various information computed and collected
84   // by the evaluation functions.
85   template<Tracing T = NO_TRACE>
86   class Evaluation {
87
88   public:
89     Evaluation() = delete;
90     Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
91     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
92
93     Value value();
94
95   private:
96     // Evaluation helpers (used when calling value())
97     template<Color Us> void initialize();
98     template<Color Us> Score evaluate_king();
99     template<Color Us> Score evaluate_threats();
100     template<Color Us> Score evaluate_passed_pawns();
101     template<Color Us> Score evaluate_space();
102     template<Color Us, PieceType Pt> Score evaluate_pieces();
103     ScaleFactor evaluate_scale_factor(Value eg);
104     Score evaluate_initiative(Value eg);
105
106     // Data members
107     const Position& pos;
108     Material::Entry* me;
109     Pawns::Entry* pe;
110     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
111     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
112
113     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
114     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which are
115     // also calculated are QUEEN_DIAGONAL and ALL_PIECES.
116     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
117
118     // attackedBy2[color] are the squares attacked by 2 pieces of a given color,
119     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
120     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
121     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
122
123     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
124     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
125     // adjacent to the king, and (only for a king on its first rank) the
126     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
127     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
128     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
129     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
130
131     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
132     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
133     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
134
135     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of the
136     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
137     // weights of the individual piece types are given by the elements in the
138     // KingAttackWeights array.
139     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
140
141     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks by the given
142     // color to squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack
143     // more than one square are counted multiple times. For instance, if there is
144     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
145     // to kingAdjacentZoneAttacksCount[WHITE].
146     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
147   };
148
149   #define V(v) Value(v)
150   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
151
152   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
153   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
154   const Score MobilityBonus[][32] = {
155     { S(-75,-76), S(-57,-54), S( -9,-28), S( -2,-10), S(  6,  5), S( 14, 12), // Knights
156       S( 22, 26), S( 29, 29), S( 36, 29) },
157     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
158       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
159       S( 91, 88), S( 98, 97) },
160     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
161       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
162       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
163     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
164       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
165       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
166       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
167       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
168   };
169
170   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for minor
171   // pieces if they can reach an outpost square, bigger if that square is
172   // supported by a pawn. If the minor piece occupies an outpost square
173   // then score is doubled.
174   const Score Outpost[][2] = {
175     { S(22, 6), S(36,12) }, // Knight
176     { S( 9, 2), S(15, 5) }  // Bishop
177   };
178
179   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is no
180   // friendly pawn on the rook file.
181   const Score RookOnFile[] = { S(20, 7), S(45, 20) };
182
183   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
184   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
185   // pawn-defended are not considered.
186   const Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
187     S(0, 0), S(0, 33), S(45, 43), S(46, 47), S(72, 107), S(48, 118)
188   };
189
190   const Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
191     S(0, 0), S(0, 25), S(40, 62), S(40, 59), S(0, 34), S(35, 48)
192   };
193
194   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for king attacks on
195   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
196   const Score ThreatByKing[] = { S(3, 62), S(9, 138) };
197
198   // Passed[mg/eg][Rank] contains midgame and endgame bonuses for passed pawns.
199   // We don't use a Score because we process the two components independently.
200   const Value Passed[][RANK_NB] = {
201     { V(5), V( 5), V(31), V(73), V(166), V(252) },
202     { V(7), V(14), V(38), V(73), V(166), V(252) }
203   };
204
205   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
206   const Score PassedFile[FILE_NB] = {
207     S(  9, 10), S( 2, 10), S( 1, -8), S(-20,-12),
208     S(-20,-12), S( 1, -8), S( 2, 10), S(  9, 10)
209   };
210
211   // KingProtector[PieceType-2] contains a bonus according to distance from king
212   const Score KingProtector[] = { S(-3, -5), S(-4, -3), S(-3, 0), S(-1, 1) };
213
214   // Assorted bonuses and penalties used by evaluation
215   const Score MinorBehindPawn       = S( 16,  0);
216   const Score BishopPawns           = S(  8, 12);
217   const Score LongRangedBishop      = S( 22,  0);
218   const Score RookOnPawn            = S(  8, 24);
219   const Score TrappedRook           = S( 92,  0);
220   const Score WeakQueen             = S( 50, 10);
221   const Score CloseEnemies          = S(  7,  0);
222   const Score PawnlessFlank         = S( 20, 80);
223   const Score ThreatBySafePawn      = S(192,175);
224   const Score ThreatByRank          = S( 16,  3);
225   const Score Hanging               = S( 48, 27);
226   const Score WeakUnopposedPawn     = S(  5, 25);
227   const Score ThreatByPawnPush      = S( 38, 22);
228   const Score ThreatByAttackOnQueen = S( 38, 22);
229   const Score HinderPassedPawn      = S(  7,  0);
230   const Score TrappedBishopA1H1     = S( 50, 50);
231
232   #undef S
233   #undef V
234
235   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
236   const int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 78, 56, 45, 11 };
237
238   // Penalties for enemy's safe checks
239   const int QueenSafeCheck  = 780;
240   const int RookSafeCheck   = 880;
241   const int BishopSafeCheck = 435;
242   const int KnightSafeCheck = 790;
243
244   // Threshold for lazy and space evaluation
245   const Value LazyThreshold  = Value(1500);
246   const Value SpaceThreshold = Value(12222);
247
248
249   // initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring bitboard
250   // for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
251
252   template<Tracing T> template<Color Us>
253   void Evaluation<T>::initialize() {
254
255     const Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
256     const Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
257     const Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
258     const Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB: Rank7BB | Rank6BB);
259
260     // Find our pawns on the first two ranks, and those which are blocked
261     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
262
263     // Squares occupied by those pawns, by our king, or controlled by enemy pawns
264     // are excluded from the mobility area.
265     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.square<KING>(Us) | pe->pawn_attacks(Them));
266
267     // Initialise the attack bitboards with the king and pawn information
268     b = attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(Us));
269     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
270
271     attackedBy2[Us]            = b & attackedBy[Us][PAWN];
272     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = b | attackedBy[Us][PAWN];
273
274     // Init our king safety tables only if we are going to use them
275     if (pos.non_pawn_material(Them) >= RookValueMg + KnightValueMg)
276     {
277         kingRing[Us] = b;
278         if (relative_rank(Us, pos.square<KING>(Us)) == RANK_1)
279             kingRing[Us] |= shift<Up>(b);
280
281         kingAttackersCount[Them] = popcount(b & pe->pawn_attacks(Them));
282         kingAdjacentZoneAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
283     }
284     else
285         kingRing[Us] = kingAttackersCount[Them] = 0;
286   }
287
288
289   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given
290   // color and type.
291
292   template<Tracing T>  template<Color Us, PieceType Pt>
293   Score Evaluation<T>::evaluate_pieces() {
294
295     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
296     const Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
297                                                : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
298     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
299
300     Bitboard b, bb;
301     Square s;
302     Score score = SCORE_ZERO;
303
304     attackedBy[Us][Pt] = 0;
305
306     if (Pt == QUEEN)
307         attackedBy[Us][QUEEN_DIAGONAL] = 0;
308
309     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
310     {
311         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
312         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
313           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
314                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
315
316         if (pos.pinned_pieces(Us) & s)
317             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
318
319         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
320         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= attackedBy[Us][Pt] |= b;
321
322         if (Pt == QUEEN)
323             attackedBy[Us][QUEEN_DIAGONAL] |= b & PseudoAttacks[BISHOP][s];
324
325         if (b & kingRing[Them])
326         {
327             kingAttackersCount[Us]++;
328             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
329             kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
330         }
331
332         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
333
334         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
335
336         // Bonus for this piece as a king protector
337         score += KingProtector[Pt - 2] * distance(s, pos.square<KING>(Us));
338
339         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
340         {
341             // Bonus for outpost squares
342             bb = OutpostRanks & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
343             if (bb & s)
344                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & s)] * 2;
345             else
346             {
347                 bb &= b & ~pos.pieces(Us);
348                 if (bb)
349                    score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
350             }
351
352             // Bonus when behind a pawn
353             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
354                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
355                 score += MinorBehindPawn;
356
357             if (Pt == BISHOP)
358             {
359                 // Penalty for pawns on the same color square as the bishop
360                 score -= BishopPawns * pe->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
361
362                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
363                 if (more_than_one(Center & (attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) | s)))
364                     score += LongRangedBishop;
365             }
366
367             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
368             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
369             // when that pawn is also blocked.
370             if (   Pt == BISHOP
371                 && pos.is_chess960()
372                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
373             {
374                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
375                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
376                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
377                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
378                                                                               : TrappedBishopA1H1;
379             }
380         }
381
382         if (Pt == ROOK)
383         {
384             // Bonus for aligning with enemy pawns on the same rank/file
385             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
386                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
387
388             // Bonus when on an open or semi-open file
389             if (pe->semiopen_file(Us, file_of(s)))
390                 score += RookOnFile[bool(pe->semiopen_file(Them, file_of(s)))];
391
392             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
393             else if (mob <= 3)
394             {
395                 Square ksq = pos.square<KING>(Us);
396
397                 if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
398                     && !pe->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
399                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
400             }
401         }
402
403         if (Pt == QUEEN)
404         {
405             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
406             Bitboard pinners;
407             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, pinners))
408                 score -= WeakQueen;
409         }
410     }
411
412     if (T)
413         Trace::add(Pt, Us, score);
414
415     return score;
416   }
417
418
419   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
420
421   template<Tracing T>  template<Color Us>
422   Score Evaluation<T>::evaluate_king() {
423
424     const Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
425     const Bitboard  Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
426                                         : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
427
428     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
429     Bitboard weak, b, b1, b2, safe, unsafeChecks;
430
431     // King shelter and enemy pawns storm
432     Score score = pe->king_safety<Us>(pos, ksq);
433
434     // Main king safety evaluation
435     if (kingAttackersCount[Them] > (1 - pos.count<QUEEN>(Them)))
436     {
437         // Attacked squares defended at most once by our queen or king
438         weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
439               & ~attackedBy2[Us]
440               & (attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN] | ~attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
441
442         int kingDanger = unsafeChecks = 0;
443
444         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
445         safe  = ~pos.pieces(Them);
446         safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
447
448         b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
449         b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
450
451         // Enemy queen safe checks
452         if ((b1 | b2) & attackedBy[Them][QUEEN] & safe & ~attackedBy[Us][QUEEN])
453             kingDanger += QueenSafeCheck;
454
455         b1 &= attackedBy[Them][ROOK];
456         b2 &= attackedBy[Them][BISHOP];
457
458         // Enemy rooks checks
459         if (b1 & safe)
460             kingDanger += RookSafeCheck;
461         else
462             unsafeChecks |= b1;
463
464         // Enemy bishops checks
465         if (b2 & safe)
466             kingDanger += BishopSafeCheck;
467         else
468             unsafeChecks |= b2;
469
470         // Enemy knights checks
471         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
472         if (b & safe)
473             kingDanger += KnightSafeCheck;
474         else
475             unsafeChecks |= b;
476
477         // Unsafe or occupied checking squares will also be considered, as long as
478         // the square is in the attacker's mobility area.
479         unsafeChecks &= mobilityArea[Them];
480
481         kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
482                      + 102 * kingAdjacentZoneAttacksCount[Them]
483                      + 191 * popcount(kingRing[Us] & weak)
484                      + 143 * popcount(pos.pinned_pieces(Us) | unsafeChecks)
485                      - 848 * !pos.count<QUEEN>(Them)
486                      -   9 * mg_value(score) / 8
487                      +  40;
488
489         // Transform the kingDanger units into a Score, and substract it from the evaluation.
490         if (kingDanger > 0)
491         {
492             int mobilityDanger = mg_value(mobility[Them] - mobility[Us]);
493             kingDanger = std::max(0, kingDanger + mobilityDanger);
494             score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
495         }
496     }
497
498     // King tropism: firstly, find squares that opponent attacks in our king flank
499     File kf = file_of(ksq);
500     b = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[kf] & Camp;
501
502     assert(((Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4) & b) == 0);
503     assert(popcount(Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4) == popcount(b));
504
505     // Secondly, add the squares which are attacked twice in that flank and
506     // which are not defended by our pawns.
507     b =  (Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4)
508        | (b & attackedBy2[Them] & ~attackedBy[Us][PAWN]);
509
510     score -= CloseEnemies * popcount(b);
511
512     // Penalty when our king is on a pawnless flank
513     if (!(pos.pieces(PAWN) & KingFlank[kf]))
514         score -= PawnlessFlank;
515
516     if (T)
517         Trace::add(KING, Us, score);
518
519     return score;
520   }
521
522
523   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the types of the attacking
524   // and the attacked pieces.
525
526   template<Tracing T>  template<Color Us>
527   Score Evaluation<T>::evaluate_threats() {
528
529     const Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK      : WHITE);
530     const Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH      : SOUTH);
531     const Direction Left     = (Us == WHITE ? NORTH_WEST : SOUTH_EAST);
532     const Direction Right    = (Us == WHITE ? NORTH_EAST : SOUTH_WEST);
533     const Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB    : Rank6BB);
534
535     Bitboard b, weak, defended, stronglyProtected, safeThreats;
536     Score score = SCORE_ZERO;
537
538     // Non-pawn enemies attacked by a pawn
539     weak = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & attackedBy[Us][PAWN];
540
541     if (weak)
542     {
543         b = pos.pieces(Us, PAWN) & ( ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]
544                                     | attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
545
546         safeThreats = (shift<Right>(b) | shift<Left>(b)) & weak;
547
548         score += ThreatBySafePawn * popcount(safeThreats);
549     }
550
551     // Squares strongly protected by the opponent, either because they attack the
552     // square with a pawn, or because they attack the square twice and we don't.
553     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
554                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
555
556     // Non-pawn enemies, strongly protected
557     defended =  (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN))
558               & stronglyProtected;
559
560     // Enemies not strongly protected and under our attack
561     weak =   pos.pieces(Them)
562           & ~stronglyProtected
563           &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
564
565     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
566     if (defended | weak)
567     {
568         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
569         while (b)
570         {
571             Square s = pop_lsb(&b);
572             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
573             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
574                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
575         }
576
577         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & attackedBy[Us][ROOK];
578         while (b)
579         {
580             Square s = pop_lsb(&b);
581             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
582             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
583                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
584         }
585
586         score += Hanging * popcount(weak & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
587
588         b = weak & attackedBy[Us][KING];
589         if (b)
590             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
591     }
592
593     // Bonus for opponent unopposed weak pawns
594     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
595         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
596
597     // Find squares where our pawns can push on the next move
598     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
599     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
600
601     // Keep only the squares which are not completely unsafe
602     b &= ~attackedBy[Them][PAWN]
603         & (attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
604
605     // Add a bonus for each new pawn threats from those squares
606     b =  (shift<Left>(b) | shift<Right>(b))
607        &  pos.pieces(Them)
608        & ~attackedBy[Us][PAWN];
609
610     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
611
612     // Add a bonus for safe slider attack threats on opponent queen
613     safeThreats = ~pos.pieces(Us) & ~attackedBy2[Them] & attackedBy2[Us];
614     b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & attackedBy[Them][QUEEN_DIAGONAL])
615        | (attackedBy[Us][ROOK  ] & attackedBy[Them][QUEEN] & ~attackedBy[Them][QUEEN_DIAGONAL]);
616
617     score += ThreatByAttackOnQueen * popcount(b & safeThreats);
618
619     if (T)
620         Trace::add(THREAT, Us, score);
621
622     return score;
623   }
624
625
626   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns and candidate passed
627   // pawns of the given color.
628
629   template<Tracing T>  template<Color Us>
630   Score Evaluation<T>::evaluate_passed_pawns() {
631
632     const Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
633     const Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
634
635     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
636     Score score = SCORE_ZERO;
637
638     b = pe->passed_pawns(Us);
639
640     while (b)
641     {
642         Square s = pop_lsb(&b);
643
644         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
645
646         bb = forward_file_bb(Us, s) & (attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
647         score -= HinderPassedPawn * popcount(bb);
648
649         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
650         int rr = r * (r - 1);
651
652         Value mbonus = Passed[MG][r], ebonus = Passed[EG][r];
653
654         if (rr)
655         {
656             Square blockSq = s + Up;
657
658             // Adjust bonus based on the king's proximity
659             ebonus +=  distance(pos.square<KING>(Them), blockSq) * 5 * rr
660                      - distance(pos.square<KING>(  Us), blockSq) * 2 * rr;
661
662             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
663             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
664                 ebonus -= distance(pos.square<KING>(Us), blockSq + Up) * rr;
665
666             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
667             if (pos.empty(blockSq))
668             {
669                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
670                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
671                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
672                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
673
674                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
675
676                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
677                     defendedSquares &= attackedBy[Us][ALL_PIECES];
678
679                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
680                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
681
682                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
683                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
684                 int k = !unsafeSquares ? 18 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 8 : 0;
685
686                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
687                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
688                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
689                     k += 6;
690
691                 else if (defendedSquares & blockSq)
692                     k += 4;
693
694                 mbonus += k * rr, ebonus += k * rr;
695             }
696             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
697                 mbonus += rr + r * 2, ebonus += rr + r * 2;
698         } // rr != 0
699
700         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
701         // pawn push to become passed or have a pawn in front of them.
702         if (!pos.pawn_passed(Us, s + Up) || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
703             mbonus /= 2, ebonus /= 2;
704
705         score += make_score(mbonus, ebonus) + PassedFile[file_of(s)];
706     }
707
708     if (T)
709         Trace::add(PASSED, Us, score);
710
711     return score;
712   }
713
714
715   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
716   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
717   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
718   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
719   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
720   // improve play on game opening.
721
722   template<Tracing T>  template<Color Us>
723   Score Evaluation<T>::evaluate_space() {
724
725     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
726     const Bitboard SpaceMask =
727       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
728                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
729
730     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
731     // SpaceMask. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
732     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
733     Bitboard safe =   SpaceMask
734                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
735                    & ~attackedBy[Them][PAWN]
736                    & (attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
737
738     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
739     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
740     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
741     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
742
743     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board...
744     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
745
746     // ...count safe + (behind & safe) with a single popcount.
747     int bonus = popcount((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
748     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * pe->open_files();
749
750     return make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
751   }
752
753
754   // evaluate_initiative() computes the initiative correction value for the
755   // position, i.e., second order bonus/malus based on the known attacking/defending
756   // status of the players.
757
758   template<Tracing T>
759   Score Evaluation<T>::evaluate_initiative(Value eg) {
760
761     int kingDistance =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
762                       - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
763     bool bothFlanks = (pos.pieces(PAWN) & QueenSide) && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
764
765     // Compute the initiative bonus for the attacking side
766     int initiative = 8 * (pe->pawn_asymmetry() + kingDistance - 17) + 12 * pos.count<PAWN>() + 16 * bothFlanks;
767
768     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
769     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
770     // that the endgame score will never change sign after the bonus.
771     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(initiative, -abs(eg));
772
773     if (T)
774         Trace::add(INITIATIVE, make_score(0, v));
775
776     return make_score(0, v);
777   }
778
779
780   // evaluate_scale_factor() computes the scale factor for the winning side
781
782   template<Tracing T>
783   ScaleFactor Evaluation<T>::evaluate_scale_factor(Value eg) {
784
785     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
786     ScaleFactor sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
787
788     // If we don't already have an unusual scale factor, check for certain
789     // types of endgames, and use a lower scale for those.
790     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN)
791     {
792         if (pos.opposite_bishops())
793         {
794             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces (ignoring pawns)
795             // is almost a draw, in case of KBP vs KB, it is even more a draw.
796             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
797                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
798                 return more_than_one(pos.pieces(PAWN)) ? ScaleFactor(31) : ScaleFactor(9);
799
800             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
801             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
802             return ScaleFactor(46);
803         }
804         // Endings where weaker side can place his king in front of the opponent's
805         // pawns are drawish.
806         else if (    abs(eg) <= BishopValueEg
807                  &&  pos.count<PAWN>(strongSide) <= 2
808                  && !pos.pawn_passed(~strongSide, pos.square<KING>(~strongSide)))
809             return ScaleFactor(37 + 7 * pos.count<PAWN>(strongSide));
810     }
811
812     return sf;
813   }
814
815
816   // value() is the main function of the class. It computes the various parts of
817   // the evaluation and returns the value of the position from the point of view
818   // of the side to move.
819
820   template<Tracing T>
821   Value Evaluation<T>::value() {
822
823     assert(!pos.checkers());
824
825     // Probe the material hash table
826     me = Material::probe(pos);
827
828     // If we have a specialized evaluation function for the current material
829     // configuration, call it and return.
830     if (me->specialized_eval_exists())
831         return me->evaluate(pos);
832
833     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
834     // the position object (material + piece square tables) and the material
835     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
836     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + Eval::Contempt;
837
838     // Probe the pawn hash table
839     pe = Pawns::probe(pos);
840     score += pe->pawns_score();
841
842     // Early exit if score is high
843     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
844     if (abs(v) > LazyThreshold)
845        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
846
847     // Main evaluation begins here
848
849     initialize<WHITE>();
850     initialize<BLACK>();
851
852     score += evaluate_pieces<WHITE, KNIGHT>() - evaluate_pieces<BLACK, KNIGHT>();
853     score += evaluate_pieces<WHITE, BISHOP>() - evaluate_pieces<BLACK, BISHOP>();
854     score += evaluate_pieces<WHITE, ROOK  >() - evaluate_pieces<BLACK, ROOK  >();
855     score += evaluate_pieces<WHITE, QUEEN >() - evaluate_pieces<BLACK, QUEEN >();
856
857     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
858
859     score +=  evaluate_king<WHITE>()
860             - evaluate_king<BLACK>();
861
862     score +=  evaluate_threats<WHITE>()
863             - evaluate_threats<BLACK>();
864
865     score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE>()
866             - evaluate_passed_pawns<BLACK>();
867
868     if (pos.non_pawn_material() >= SpaceThreshold)
869         score +=  evaluate_space<WHITE>()
870                 - evaluate_space<BLACK>();
871
872     score += evaluate_initiative(eg_value(score));
873
874     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
875     ScaleFactor sf = evaluate_scale_factor(eg_value(score));
876     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
877        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
878
879     v /= int(PHASE_MIDGAME);
880
881     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
882     if (T)
883     {
884         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
885         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
886         Trace::add(PAWN, pe->pawns_score());
887         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
888         if (pos.non_pawn_material() >= SpaceThreshold)
889             Trace::add(SPACE, evaluate_space<WHITE>()
890                             , evaluate_space<BLACK>());
891         Trace::add(TOTAL, score);
892     }
893
894     return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Side to move point of view
895   }
896
897 } // namespace
898
899 Score Eval::Contempt = SCORE_ZERO;
900
901 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static evaluation
902 /// of the position from the point of view of the side to move.
903
904 Value Eval::evaluate(const Position& pos)
905 {
906    return Evaluation<>(pos).value() + Eval::Tempo;
907 }
908
909 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
910 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
911 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
912
913 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
914
915   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
916
917   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value() + Eval::Tempo;
918   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
919
920   std::stringstream ss;
921   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
922      << "      Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
923      << "                |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
924      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
925      << "       Material | " << Term(MATERIAL)
926      << "      Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
927      << "          Pawns | " << Term(PAWN)
928      << "        Knights | " << Term(KNIGHT)
929      << "        Bishops | " << Term(BISHOP)
930      << "          Rooks | " << Term(ROOK)
931      << "         Queens | " << Term(QUEEN)
932      << "       Mobility | " << Term(MOBILITY)
933      << "    King safety | " << Term(KING)
934      << "        Threats | " << Term(THREAT)
935      << "   Passed pawns | " << Term(PASSED)
936      << "          Space | " << Term(SPACE)
937      << "     Initiative | " << Term(INITIATIVE)
938      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
939      << "          Total | " << Term(TOTAL);
940
941   ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
942
943   return ss.str();
944 }