86f73563ef262a9e2914597320b0adfef8818e59
[stockfish] / src / evaluate.cpp
1 /*
2   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
3   Copyright (C) 2004-2008 Tord Romstad (Glaurung author)
4   Copyright (C) 2008-2015 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5   Copyright (C) 2015-2019 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
6
7   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
10   (at your option) any later version.
11
12   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15   GNU General Public License for more details.
16
17   You should have received a copy of the GNU General Public License
18   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19 */
20
21 #include <algorithm>
22 #include <cassert>
23 #include <cstring>   // For std::memset
24 #include <iomanip>
25 #include <sstream>
26
27 #include "bitboard.h"
28 #include "evaluate.h"
29 #include "material.h"
30 #include "pawns.h"
31 #include "thread.h"
32
33 namespace Trace {
34
35   enum Tracing { NO_TRACE, TRACE };
36
37   enum Term { // The first 8 entries are reserved for PieceType
38     MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, INITIATIVE, TOTAL, TERM_NB
39   };
40
41   Score scores[TERM_NB][COLOR_NB];
42
43   double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
44
45   void add(int idx, Color c, Score s) {
46     scores[idx][c] = s;
47   }
48
49   void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
50     scores[idx][WHITE] = w;
51     scores[idx][BLACK] = b;
52   }
53
54   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Score s) {
55     os << std::setw(5) << to_cp(mg_value(s)) << " "
56        << std::setw(5) << to_cp(eg_value(s));
57     return os;
58   }
59
60   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
61
62     if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == INITIATIVE || t == TOTAL)
63         os << " ----  ----"    << " | " << " ----  ----";
64     else
65         os << scores[t][WHITE] << " | " << scores[t][BLACK];
66
67     os << " | " << scores[t][WHITE] - scores[t][BLACK] << "\n";
68     return os;
69   }
70 }
71
72 using namespace Trace;
73
74 namespace {
75
76   // Threshold for lazy and space evaluation
77   constexpr Value LazyThreshold  = Value(1500);
78   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
79
80   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
81   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 77, 55, 44, 10 };
82
83   // Penalties for enemy's safe checks
84   constexpr int QueenSafeCheck  = 780;
85   constexpr int RookSafeCheck   = 1080;
86   constexpr int BishopSafeCheck = 635;
87   constexpr int KnightSafeCheck = 790;
88
89 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
90
91   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
92   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
93   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
94     { S(-62,-81), S(-53,-56), S(-12,-30), S( -4,-14), S(  3,  8), S( 13, 15), // Knights
95       S( 22, 23), S( 28, 27), S( 33, 33) },
96     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
97       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
98       S( 91, 88), S( 98, 97) },
99     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
100       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
101       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
102     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
103       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
104       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
105       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
106       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
107   };
108
109   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
110   // no (friendly) pawn on the rook file.
111   constexpr Score RookOnFile[] = { S(18, 7), S(44, 20) };
112
113   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
114   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
115   // pawn-defended are not considered.
116   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
117     S(0, 0), S(0, 31), S(39, 42), S(57, 44), S(68, 112), S(62, 120)
118   };
119
120   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
121     S(0, 0), S(0, 24), S(38, 71), S(38, 61), S(0, 38), S(51, 38)
122   };
123
124   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
125   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
126     S(0, 0), S(5, 18), S(12, 23), S(10, 31), S(57, 62), S(163, 167), S(271, 250)
127   };
128
129   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
130   constexpr Score PassedFile[FILE_NB] = {
131     S( -1,  7), S( 0,  9), S(-9, -8), S(-30,-14),
132     S(-30,-14), S(-9, -8), S( 0,  9), S( -1,  7)
133   };
134
135   // Assorted bonuses and penalties
136   constexpr Score BishopPawns        = S(  3,  7);
137   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
138   constexpr Score FlankAttacks       = S(  8,  0);
139   constexpr Score Hanging            = S( 69, 36);
140   constexpr Score KingProtector      = S(  7,  8);
141   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 16, 12);
142   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 45,  0);
143   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 18,  3);
144   constexpr Score Outpost            = S(  9,  3);
145   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 17, 95);
146   constexpr Score RestrictedPiece    = S(  7,  7);
147   constexpr Score RookOnPawn         = S( 10, 32);
148   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 59, 18);
149   constexpr Score ThreatByKing       = S( 24, 89);
150   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 48, 39);
151   constexpr Score ThreatByRank       = S( 13,  0);
152   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(173, 94);
153   constexpr Score TrappedRook        = S( 47,  4);
154   constexpr Score WeakQueen          = S( 49, 15);
155   constexpr Score WeakUnopposedPawn  = S( 12, 23);
156
157 #undef S
158
159   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
160   template<Tracing T>
161   class Evaluation {
162
163   public:
164     Evaluation() = delete;
165     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
166     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
167     Value value();
168
169   private:
170     template<Color Us> void initialize();
171     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
172     template<Color Us> Score king() const;
173     template<Color Us> Score threats() const;
174     template<Color Us> Score passed() const;
175     template<Color Us> Score space() const;
176     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
177     Score initiative(Value eg) const;
178
179     const Position& pos;
180     Material::Entry* me;
181     Pawns::Entry* pe;
182     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
183     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
184
185     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
186     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
187     // is also calculated is ALL_PIECES.
188     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
189
190     // attackedBy2[color] are the squares attacked by at least 2 units of a given
191     // color, including x-rays. But diagonal x-rays through pawns are not computed.
192     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
193
194     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king, plus (only for a
195     // king on its first rank) the squares two ranks in front. For instance,
196     // if black's king is on g8, kingRing[BLACK] is f8, h8, f7, g7, h7, f6, g6
197     // and h6.
198     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
199
200     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
201     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
202     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
203
204     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
205     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
206     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
207     // the KingAttackWeights array.
208     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
209
210     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
211     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
212     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
213     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
214     // to kingAttacksCount[WHITE].
215     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
216   };
217
218
219   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
220   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
221   template<Tracing T> template<Color Us>
222   void Evaluation<T>::initialize() {
223
224     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
225     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
226     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
227     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB: Rank7BB | Rank6BB);
228
229     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
230
231     Bitboard dblAttackByPawn = pawn_double_attacks_bb<Us>(pos.pieces(Us, PAWN));
232
233     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
234     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
235
236     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen or controlled by
237     // enemy pawns are excluded from the mobility area.
238     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
239
240     // Initialize attackedBy[] for king and pawns
241     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(ksq);
242     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
243     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
244     attackedBy2[Us] = dblAttackByPawn | (attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN]);
245
246     // Init our king safety tables
247     kingRing[Us] = attackedBy[Us][KING];
248     if (relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
249         kingRing[Us] |= shift<Up>(kingRing[Us]);
250
251     if (file_of(ksq) == FILE_H)
252         kingRing[Us] |= shift<WEST>(kingRing[Us]);
253
254     else if (file_of(ksq) == FILE_A)
255         kingRing[Us] |= shift<EAST>(kingRing[Us]);
256
257     kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
258     kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
259
260     // Remove from kingRing[] the squares defended by two pawns
261     kingRing[Us] &= ~dblAttackByPawn;
262   }
263
264
265   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
266   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
267   Score Evaluation<T>::pieces() {
268
269     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
270     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
271     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
272                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
273     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
274
275     Bitboard b, bb;
276     Score score = SCORE_ZERO;
277
278     attackedBy[Us][Pt] = 0;
279
280     for (Square s = *pl; s != SQ_NONE; s = *++pl)
281     {
282         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
283         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
284           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
285                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
286
287         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
288             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
289
290         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
291         attackedBy[Us][Pt] |= b;
292         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
293
294         if (b & kingRing[Them])
295         {
296             kingAttackersCount[Us]++;
297             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
298             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
299         }
300
301         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
302
303         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
304
305         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
306         {
307             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
308             bb = OutpostRanks & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
309             if (bb & s)
310                 score += Outpost * (Pt == KNIGHT ? 4 : 2)
311                                  * ((attackedBy[Us][PAWN] & s) ? 2 : 1);
312
313             else if (bb &= b & ~pos.pieces(Us))
314                 score += Outpost * (Pt == KNIGHT ? 2 : 1)
315                                  * ((attackedBy[Us][PAWN] & bb) ? 2 : 1);
316
317             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
318             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
319                 score += MinorBehindPawn;
320
321             // Penalty if the piece is far from the king
322             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
323
324             if (Pt == BISHOP)
325             {
326                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
327                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
328                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
329
330                 score -= BishopPawns * pos.pawns_on_same_color_squares(Us, s)
331                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
332
333                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
334                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
335                     score += LongDiagonalBishop;
336             }
337
338             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
339             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
340             // when that pawn is also blocked.
341             if (   Pt == BISHOP
342                 && pos.is_chess960()
343                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
344             {
345                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
346                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
347                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
348                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
349                                                                               : CorneredBishop;
350             }
351         }
352
353         if (Pt == ROOK)
354         {
355             // Bonus for aligning rook with enemy pawns on the same rank/file
356             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
357                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
358
359             // Bonus for rook on an open or semi-open file
360             if (pos.is_on_semiopen_file(Us, s))
361                 score += RookOnFile[bool(pos.is_on_semiopen_file(Them, s))];
362
363             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
364             else if (mob <= 3)
365             {
366                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
367                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
368                     score -= TrappedRook * (1 + !pos.castling_rights(Us));
369             }
370         }
371
372         if (Pt == QUEEN)
373         {
374             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
375             Bitboard queenPinners;
376             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
377                 score -= WeakQueen;
378         }
379     }
380     if (T)
381         Trace::add(Pt, Us, score);
382
383     return score;
384   }
385
386
387   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
388   template<Tracing T> template<Color Us>
389   Score Evaluation<T>::king() const {
390
391     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
392     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
393                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
394
395     Bitboard weak, b1, b2, safe, unsafeChecks = 0;
396     Bitboard rookChecks, queenChecks, bishopChecks, knightChecks;
397     int kingDanger = 0;
398     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
399
400     // Init the score with king shelter and enemy pawns storm
401     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
402
403     // Attacked squares defended at most once by our queen or king
404     weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
405           & ~attackedBy2[Us]
406           & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
407
408     // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
409     safe  = ~pos.pieces(Them);
410     safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
411
412     b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
413     b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
414
415     // Enemy rooks checks
416     rookChecks = b1 & safe & attackedBy[Them][ROOK];
417
418     if (rookChecks)
419         kingDanger += RookSafeCheck;
420     else
421         unsafeChecks |= b1 & attackedBy[Them][ROOK];
422
423     // Enemy queen safe checks: we count them only if they are from squares from
424     // which we can't give a rook check, because rook checks are more valuable.
425     queenChecks =  (b1 | b2)
426                  & attackedBy[Them][QUEEN]
427                  & safe
428                  & ~attackedBy[Us][QUEEN]
429                  & ~rookChecks;
430
431     if (queenChecks)
432         kingDanger += QueenSafeCheck;
433
434     // Enemy bishops checks: we count them only if they are from squares from
435     // which we can't give a queen check, because queen checks are more valuable.
436     bishopChecks =  b2
437                   & attackedBy[Them][BISHOP]
438                   & safe
439                   & ~queenChecks;
440
441     if (bishopChecks)
442         kingDanger += BishopSafeCheck;
443     else
444         unsafeChecks |= b2 & attackedBy[Them][BISHOP];
445
446     // Enemy knights checks
447     knightChecks = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
448
449     if (knightChecks & safe)
450         kingDanger += KnightSafeCheck;
451     else
452         unsafeChecks |= knightChecks;
453
454     // Unsafe or occupied checking squares will also be considered, as long as
455     // the square is in the attacker's mobility area.
456     unsafeChecks &= mobilityArea[Them];
457
458     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
459     // which are attacked twice in that flank.
460     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
461     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
462
463     int kingFlankAttacks = popcount(b1) + popcount(b2);
464
465     kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
466                  +  69 * kingAttacksCount[Them]
467                  + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
468                  - 100 * bool(attackedBy[Us][KNIGHT] & attackedBy[Us][KING])
469                  -  35 * bool(attackedBy[Us][BISHOP] & attackedBy[Us][KING])
470                  + 150 * popcount(pos.blockers_for_king(Us) | unsafeChecks)
471                  - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
472                  -   6 * mg_value(score) / 8
473                  +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
474                  +   5 * kingFlankAttacks * kingFlankAttacks / 16
475                  -   7;
476
477     // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
478     if (kingDanger > 100)
479         score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
480
481     // Penalty when our king is on a pawnless flank
482     if (!(pos.pieces(PAWN) & KingFlank[file_of(ksq)]))
483         score -= PawnlessFlank;
484
485     // Penalty if king flank is under attack, potentially moving toward the king
486     score -= FlankAttacks * kingFlankAttacks;
487
488     if (T)
489         Trace::add(KING, Us, score);
490
491     return score;
492   }
493
494
495   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
496   // attacking and the attacked pieces.
497   template<Tracing T> template<Color Us>
498   Score Evaluation<T>::threats() const {
499
500     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
501     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
502     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
503
504     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
505     Score score = SCORE_ZERO;
506
507     // Non-pawn enemies
508     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
509
510     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
511     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
512     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
513                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
514
515     // Non-pawn enemies, strongly protected
516     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
517
518     // Enemies not strongly protected and under our attack
519     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
520
521     // Safe or protected squares
522     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
523
524     // Bonus according to the kind of attacking pieces
525     if (defended | weak)
526     {
527         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
528         while (b)
529         {
530             Square s = pop_lsb(&b);
531             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
532             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
533                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
534         }
535
536         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
537         while (b)
538         {
539             Square s = pop_lsb(&b);
540             score += ThreatByRook[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         if (weak & attackedBy[Us][KING])
546             score += ThreatByKing;
547
548         b =  ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]
549            | (nonPawnEnemies & attackedBy2[Us]);
550         score += Hanging * popcount(weak & b);
551     }
552
553     // Bonus for restricting their piece moves
554     b =   attackedBy[Them][ALL_PIECES]
555        & ~stronglyProtected
556        &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
557
558     score += RestrictedPiece * popcount(b);
559
560     // Bonus for enemy unopposed weak pawns
561     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
562         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
563
564     // Find squares where our pawns can push on the next move
565     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
566     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
567
568     // Keep only the squares which are relatively safe
569     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
570
571     // Bonus for safe pawn threats on the next move
572     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & pos.pieces(Them);
573     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
574
575     // Our safe or protected pawns
576     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
577
578     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
579     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
580
581     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
582     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
583     {
584         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
585         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
586
587         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
588
589         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
590
591         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
592            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
593
594         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
595     }
596
597     if (T)
598         Trace::add(THREAT, Us, score);
599
600     return score;
601   }
602
603   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
604   // pawns of the given color.
605
606   template<Tracing T> template<Color Us>
607   Score Evaluation<T>::passed() const {
608
609     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
610     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
611
612     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
613       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
614     };
615
616     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
617     Score score = SCORE_ZERO;
618
619     b = pe->passed_pawns(Us);
620
621     while (b)
622     {
623         Square s = pop_lsb(&b);
624
625         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
626
627         int r = relative_rank(Us, s);
628
629         Score bonus = PassedRank[r];
630
631         if (r > RANK_3)
632         {
633             int w = (r-2) * (r-2) + 2;
634             Square blockSq = s + Up;
635
636             // Adjust bonus based on the king's proximity
637             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
638                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
639
640             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
641             if (r != RANK_7)
642                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
643
644             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
645             if (pos.empty(blockSq))
646             {
647                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
648                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
649                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
650                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
651
652                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN);
653
654                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
655                     defendedSquares &= attackedBy[Us][ALL_PIECES];
656
657                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
658                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
659
660                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
661                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
662                 int k = !unsafeSquares ? 20 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
663
664                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
665                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
666                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
667                     k += 6;
668
669                 else if (defendedSquares & blockSq)
670                     k += 4;
671
672                 bonus += make_score(k * w, k * w);
673             }
674         } // r > RANK_3
675
676         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
677         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
678         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
679             || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
680             bonus = bonus / 2;
681
682         score += bonus + PassedFile[file_of(s)];
683     }
684
685     if (T)
686         Trace::add(PASSED, Us, score);
687
688     return score;
689   }
690
691
692   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
693   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
694   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
695   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
696   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
697   // improve play on game opening.
698
699   template<Tracing T> template<Color Us>
700   Score Evaluation<T>::space() const {
701
702     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
703         return SCORE_ZERO;
704
705     constexpr Color Them     = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
706     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
707     constexpr Bitboard SpaceMask =
708       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
709                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
710
711     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
712     Bitboard safe =   SpaceMask
713                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
714                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
715
716     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
717     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
718     behind |= shift<Down>(behind);
719     behind |= shift<Down+Down>(behind);
720
721     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe);
722     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 1;
723     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
724
725     if (T)
726         Trace::add(SPACE, Us, score);
727
728     return score;
729   }
730
731
732   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
733   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
734   // known attacking/defending status of the players.
735
736   template<Tracing T>
737   Score Evaluation<T>::initiative(Value eg) const {
738
739     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
740                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
741
742     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
743                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
744
745     // Compute the initiative bonus for the attacking side
746     int complexity =   9 * pe->passed_count()
747                     + 11 * pos.count<PAWN>()
748                     +  9 * outflanking
749                     + 18 * pawnsOnBothFlanks
750                     + 49 * !pos.non_pawn_material()
751                     -103 ;
752
753     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
754     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
755     // that the endgame score will never change sign after the bonus.
756     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
757
758     if (T)
759         Trace::add(INITIATIVE, make_score(0, v));
760
761     return make_score(0, v);
762   }
763
764
765   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
766
767   template<Tracing T>
768   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
769
770     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
771     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
772
773     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
774     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
775     {
776         if (   pos.opposite_bishops()
777             && pos.non_pawn_material() == 2 * BishopValueMg)
778             sf = 16 + 4 * pe->passed_count();
779         else
780             sf = std::min(40 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide), sf);
781
782     }
783
784     return ScaleFactor(sf);
785   }
786
787
788   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
789   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
790   // of view of the side to move.
791
792   template<Tracing T>
793   Value Evaluation<T>::value() {
794
795     assert(!pos.checkers());
796
797     // Probe the material hash table
798     me = Material::probe(pos);
799
800     // If we have a specialized evaluation function for the current material
801     // configuration, call it and return.
802     if (me->specialized_eval_exists())
803         return me->evaluate(pos);
804
805     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
806     // the position object (material + piece square tables) and the material
807     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
808     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
809
810     // Probe the pawn hash table
811     pe = Pawns::probe(pos);
812     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
813
814     // Early exit if score is high
815     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
816     if (abs(v) > LazyThreshold)
817        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
818
819     // Main evaluation begins here
820
821     initialize<WHITE>();
822     initialize<BLACK>();
823
824     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
825     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
826             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
827             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
828             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
829
830     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
831
832     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
833             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
834             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
835             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
836
837     score += initiative(eg_value(score));
838
839     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
840     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
841     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
842        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
843
844     v /= PHASE_MIDGAME;
845
846     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
847     if (T)
848     {
849         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
850         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
851         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
852         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
853         Trace::add(TOTAL, score);
854     }
855
856     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
857            + Eval::Tempo;
858   }
859
860 } // namespace
861
862
863 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
864 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
865
866 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
867   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
868 }
869
870
871 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
872 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
873 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
874
875 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
876
877   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
878
879   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
880
881   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
882
883   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
884
885   std::stringstream ss;
886   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
887      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
888      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
889      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
890      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
891      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
892      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
893      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
894      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
895      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
896      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
897      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
898      << " King safety | " << Term(KING)
899      << "     Threats | " << Term(THREAT)
900      << "      Passed | " << Term(PASSED)
901      << "       Space | " << Term(SPACE)
902      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
903      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
904      << "       Total | " << Term(TOTAL);
905
906   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
907
908   return ss.str();
909 }