880aa1375badc42ceba8f89bf78541ad5e84f31d
[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(1400);
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, 81, 52, 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(21, 4), S(47, 25) };
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(6, 28), 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(3, 44), 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(10, 28), S(17, 33), S(15, 41), S(62, 72), S(168, 177), S(276, 260)
127   };
128
129   // Assorted bonuses and penalties
130   constexpr Score BishopPawns        = S(  3,  7);
131   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
132   constexpr Score FlankAttacks       = S(  8,  0);
133   constexpr Score Hanging            = S( 69, 36);
134   constexpr Score KingProtector      = S(  7,  8);
135   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 16, 12);
136   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 45,  0);
137   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 18,  3);
138   constexpr Score Outpost            = S( 18,  6);
139   constexpr Score PassedFile         = S( 11,  8);
140   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 17, 95);
141   constexpr Score RestrictedPiece    = S(  7,  7);
142   constexpr Score RookOnQueenFile    = S(  7,  6);
143   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 59, 18);
144   constexpr Score ThreatByKing       = S( 24, 89);
145   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 48, 39);
146   constexpr Score ThreatByRank       = S( 13,  0);
147   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(173, 94);
148   constexpr Score TrappedRook        = S( 47,  4);
149   constexpr Score WeakQueen          = S( 49, 15);
150
151 #undef S
152
153   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
154   template<Tracing T>
155   class Evaluation {
156
157   public:
158     Evaluation() = delete;
159     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
160     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
161     Value value();
162
163   private:
164     template<Color Us> void initialize();
165     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
166     template<Color Us> Score king() const;
167     template<Color Us> Score threats() const;
168     template<Color Us> Score passed() const;
169     template<Color Us> Score space() const;
170     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
171     Score initiative(Score score) const;
172
173     const Position& pos;
174     Material::Entry* me;
175     Pawns::Entry* pe;
176     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
177     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
178
179     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
180     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
181     // is also calculated is ALL_PIECES.
182     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
183
184     // attackedBy2[color] are the squares attacked by at least 2 units of a given
185     // color, including x-rays. But diagonal x-rays through pawns are not computed.
186     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
187
188     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king plus some other
189     // very near squares, depending on king position.
190     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
191
192     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
193     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
194     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
195
196     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
197     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
198     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
199     // the KingAttackWeights array.
200     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
201
202     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
203     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
204     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
205     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
206     // to kingAttacksCount[WHITE].
207     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
208   };
209
210
211   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
212   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
213   template<Tracing T> template<Color Us>
214   void Evaluation<T>::initialize() {
215
216     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
217     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
218     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
219     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB : Rank7BB | Rank6BB);
220
221     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
222
223     Bitboard dblAttackByPawn = pawn_double_attacks_bb<Us>(pos.pieces(Us, PAWN));
224
225     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
226     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
227
228     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen or controlled by
229     // enemy pawns are excluded from the mobility area.
230     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
231
232     // Initialize attackedBy[] for king and pawns
233     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(ksq);
234     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
235     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
236     attackedBy2[Us] = dblAttackByPawn | (attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN]);
237
238     // Init our king safety tables
239     kingRing[Us] = attackedBy[Us][KING];
240     if (relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
241         kingRing[Us] |= shift<Up>(kingRing[Us]);
242
243     if (file_of(ksq) == FILE_H)
244         kingRing[Us] |= shift<WEST>(kingRing[Us]);
245
246     else if (file_of(ksq) == FILE_A)
247         kingRing[Us] |= shift<EAST>(kingRing[Us]);
248
249     kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
250     kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
251
252     // Remove from kingRing[] the squares defended by two pawns
253     kingRing[Us] &= ~dblAttackByPawn;
254   }
255
256
257   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
258   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
259   Score Evaluation<T>::pieces() {
260
261     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
262     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
263     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
264                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
265     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
266
267     Bitboard b, bb;
268     Score score = SCORE_ZERO;
269
270     attackedBy[Us][Pt] = 0;
271
272     for (Square s = *pl; s != SQ_NONE; s = *++pl)
273     {
274         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
275         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
276           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
277                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
278
279         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
280             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
281
282         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
283         attackedBy[Us][Pt] |= b;
284         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
285
286         if (b & kingRing[Them])
287         {
288             kingAttackersCount[Us]++;
289             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
290             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
291         }
292
293         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
294
295         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
296
297         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
298         {
299             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
300             bb = OutpostRanks & attackedBy[Us][PAWN] & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
301             if (bb & s)
302                 score += Outpost * (Pt == KNIGHT ? 4 : 2);
303
304             else if (bb & b & ~pos.pieces(Us))
305                 score += Outpost * (Pt == KNIGHT ? 2 : 1);
306
307             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
308             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
309                 score += MinorBehindPawn;
310
311             // Penalty if the piece is far from the king
312             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
313
314             if (Pt == BISHOP)
315             {
316                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
317                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
318                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
319
320                 score -= BishopPawns * pos.pawns_on_same_color_squares(Us, s)
321                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
322
323                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
324                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
325                     score += LongDiagonalBishop;
326             }
327
328             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
329             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
330             // when that pawn is also blocked.
331             if (   Pt == BISHOP
332                 && pos.is_chess960()
333                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
334             {
335                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
336                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
337                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
338                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
339                                                                               : CorneredBishop;
340             }
341         }
342
343         if (Pt == ROOK)
344         {
345             // Bonus for rook on the same file as a queen
346             if (file_bb(s) & pos.pieces(QUEEN))
347                 score += RookOnQueenFile;
348
349             // Bonus for rook on an open or semi-open file
350             if (pos.is_on_semiopen_file(Us, s))
351                 score += RookOnFile[pos.is_on_semiopen_file(Them, s)];
352
353             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
354             else if (mob <= 3)
355             {
356                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
357                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
358                     score -= TrappedRook * (1 + !pos.castling_rights(Us));
359             }
360         }
361
362         if (Pt == QUEEN)
363         {
364             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
365             Bitboard queenPinners;
366             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
367                 score -= WeakQueen;
368         }
369     }
370     if (T)
371         Trace::add(Pt, Us, score);
372
373     return score;
374   }
375
376
377   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
378   template<Tracing T> template<Color Us>
379   Score Evaluation<T>::king() const {
380
381     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
382     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
383                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
384
385     Bitboard weak, b1, b2, safe, unsafeChecks = 0;
386     Bitboard rookChecks, queenChecks, bishopChecks, knightChecks;
387     int kingDanger = 0;
388     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
389
390     // Init the score with king shelter and enemy pawns storm
391     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
392
393     // Attacked squares defended at most once by our queen or king
394     weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
395           & ~attackedBy2[Us]
396           & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
397
398     // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
399     safe  = ~pos.pieces(Them);
400     safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
401
402     b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
403     b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
404
405     // Enemy rooks checks
406     rookChecks = b1 & safe & attackedBy[Them][ROOK];
407
408     if (rookChecks)
409         kingDanger += RookSafeCheck;
410     else
411         unsafeChecks |= b1 & attackedBy[Them][ROOK];
412
413     // Enemy queen safe checks: we count them only if they are from squares from
414     // which we can't give a rook check, because rook checks are more valuable.
415     queenChecks =  (b1 | b2)
416                  & attackedBy[Them][QUEEN]
417                  & safe
418                  & ~attackedBy[Us][QUEEN]
419                  & ~rookChecks;
420
421     if (queenChecks)
422         kingDanger += QueenSafeCheck;
423
424     // Enemy bishops checks: we count them only if they are from squares from
425     // which we can't give a queen check, because queen checks are more valuable.
426     bishopChecks =  b2
427                   & attackedBy[Them][BISHOP]
428                   & safe
429                   & ~queenChecks;
430
431     if (bishopChecks)
432         kingDanger += BishopSafeCheck;
433     else
434         unsafeChecks |= b2 & attackedBy[Them][BISHOP];
435
436     // Enemy knights checks
437     knightChecks = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
438
439     if (knightChecks & safe)
440         kingDanger += KnightSafeCheck;
441     else
442         unsafeChecks |= knightChecks;
443
444     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
445     // which are attacked twice in that flank.
446     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
447     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
448
449     int kingFlankAttacks = popcount(b1) + popcount(b2);
450
451     kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
452                  +  69 * kingAttacksCount[Them]
453                  + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
454                  - 100 * bool(attackedBy[Us][KNIGHT] & attackedBy[Us][KING])
455                  -  35 * bool(attackedBy[Us][BISHOP] & attackedBy[Us][KING])
456                  + 148 * popcount(unsafeChecks)
457                  +  98 * popcount(pos.blockers_for_king(Us))
458                  - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
459                  -   6 * mg_value(score) / 8
460                  +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
461                  +   5 * kingFlankAttacks * kingFlankAttacks / 16
462                  -   7;
463
464     // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
465     if (kingDanger > 100)
466         score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
467
468     // Penalty when our king is on a pawnless flank
469     if (!(pos.pieces(PAWN) & KingFlank[file_of(ksq)]))
470         score -= PawnlessFlank;
471
472     // Penalty if king flank is under attack, potentially moving toward the king
473     score -= FlankAttacks * kingFlankAttacks;
474
475     if (T)
476         Trace::add(KING, Us, score);
477
478     return score;
479   }
480
481
482   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
483   // attacking and the attacked pieces.
484   template<Tracing T> template<Color Us>
485   Score Evaluation<T>::threats() const {
486
487     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
488     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
489     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
490
491     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
492     Score score = SCORE_ZERO;
493
494     // Non-pawn enemies
495     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
496
497     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
498     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
499     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
500                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
501
502     // Non-pawn enemies, strongly protected
503     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
504
505     // Enemies not strongly protected and under our attack
506     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
507
508     // Bonus according to the kind of attacking pieces
509     if (defended | weak)
510     {
511         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
512         while (b)
513         {
514             Square s = pop_lsb(&b);
515             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
516             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
517                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
518         }
519
520         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
521         while (b)
522         {
523             Square s = pop_lsb(&b);
524             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
525             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
526                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
527         }
528
529         if (weak & attackedBy[Us][KING])
530             score += ThreatByKing;
531
532         b =  ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]
533            | (nonPawnEnemies & attackedBy2[Us]);
534         score += Hanging * popcount(weak & b);
535     }
536
537     // Bonus for restricting their piece moves
538     b =   attackedBy[Them][ALL_PIECES]
539        & ~stronglyProtected
540        &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
541
542     score += RestrictedPiece * popcount(b);
543
544     // Protected or unattacked squares
545     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
546
547     // Bonus for attacking enemy pieces with our relatively safe pawns
548     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
549     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
550     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
551
552     // Find squares where our pawns can push on the next move
553     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
554     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
555
556     // Keep only the squares which are relatively safe
557     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
558
559     // Bonus for safe pawn threats on the next move
560     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
561     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
562
563     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
564     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
565     {
566         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
567         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
568
569         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
570
571         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
572
573         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
574            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
575
576         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
577     }
578
579     if (T)
580         Trace::add(THREAT, Us, score);
581
582     return score;
583   }
584
585   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
586   // pawns of the given color.
587
588   template<Tracing T> template<Color Us>
589   Score Evaluation<T>::passed() const {
590
591     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
592     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
593
594     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
595       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
596     };
597
598     Bitboard b, bb, squaresToQueen, unsafeSquares;
599     Score score = SCORE_ZERO;
600
601     b = pe->passed_pawns(Us);
602
603     while (b)
604     {
605         Square s = pop_lsb(&b);
606
607         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
608
609         int r = relative_rank(Us, s);
610         File f = file_of(s);
611
612         Score bonus = PassedRank[r];
613
614         if (r > RANK_3)
615         {
616             int w = 5 * r - 13;
617             Square blockSq = s + Up;
618
619             // Adjust bonus based on the king's proximity
620             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
621                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
622
623             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
624             if (r != RANK_7)
625                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
626
627             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
628             if (pos.empty(blockSq))
629             {
630                 squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
631                 unsafeSquares = passed_pawn_span(Us, s);
632
633                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN);
634
635                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
636                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES];
637
638                 // If there are no enemy attacks on passed pawn span, assign a big bonus.
639                 // Otherwise assign a smaller bonus if the path to queen is not attacked
640                 // and even smaller bonus if it is attacked but block square is not.
641                 int k = !unsafeSquares                    ? 35 :
642                         !(unsafeSquares & squaresToQueen) ? 20 :
643                         !(unsafeSquares & blockSq)        ?  9 :
644                                                              0 ;
645
646                 // Assign a larger bonus if the block square is defended
647                 if ((pos.pieces(Us) & bb) || (attackedBy[Us][ALL_PIECES] & blockSq))
648                     k += 5;
649
650                 bonus += make_score(k * w, k * w);
651             }
652         } // r > RANK_3
653
654         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
655         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
656         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
657             || (pos.pieces(PAWN) & (s + Up)))
658             bonus = bonus / 2;
659
660         score += bonus - PassedFile * map_to_queenside(f);
661     }
662
663     if (T)
664         Trace::add(PASSED, Us, score);
665
666     return score;
667   }
668
669
670   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
671   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
672   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
673   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
674   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
675   // improve play on game opening.
676
677   template<Tracing T> template<Color Us>
678   Score Evaluation<T>::space() const {
679
680     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
681         return SCORE_ZERO;
682
683     constexpr Color Them     = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
684     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
685     constexpr Bitboard SpaceMask =
686       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
687                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
688
689     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
690     Bitboard safe =   SpaceMask
691                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
692                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
693
694     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
695     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
696     behind |= shift<Down>(behind);
697     behind |= shift<Down+Down>(behind);
698
699     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
700     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 1;
701     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
702
703     if (T)
704         Trace::add(SPACE, Us, score);
705
706     return score;
707   }
708
709
710   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
711   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
712   // known attacking/defending status of the players.
713
714   template<Tracing T>
715   Score Evaluation<T>::initiative(Score score) const {
716
717     Value mg = mg_value(score);
718     Value eg = eg_value(score);
719
720     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
721                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
722
723     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
724                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
725
726     bool almostUnwinnable =   !pe->passed_count()
727                            &&  outflanking < 0
728                            && !pawnsOnBothFlanks;
729
730     // Compute the initiative bonus for the attacking side
731     int complexity =   9 * pe->passed_count()
732                     + 11 * pos.count<PAWN>()
733                     +  9 * outflanking
734                     + 18 * pawnsOnBothFlanks
735                     + 49 * !pos.non_pawn_material()
736                     - 36 * almostUnwinnable
737                     -103 ;
738
739     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting the
740     // sign of the midgame or endgame values, and that we carefully cap the bonus
741     // so that the midgame and endgame scores do not change sign after the bonus.
742     int u = ((mg > 0) - (mg < 0)) * std::max(std::min(complexity + 50, 0), -abs(mg));
743     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
744
745     if (T)
746         Trace::add(INITIATIVE, make_score(u, v));
747
748     return make_score(u, v);
749   }
750
751
752   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
753
754   template<Tracing T>
755   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
756
757     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
758     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
759
760     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
761     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
762     {
763         if (   pos.opposite_bishops()
764             && pos.non_pawn_material() == 2 * BishopValueMg)
765             sf = 16 + 4 * pe->passed_count();
766         else
767             sf = std::min(sf, 36 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide));
768
769         sf = std::max(0, sf - (pos.rule50_count() - 12) / 4  );
770     }
771
772     return ScaleFactor(sf);
773   }
774
775
776   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
777   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
778   // of view of the side to move.
779
780   template<Tracing T>
781   Value Evaluation<T>::value() {
782
783     assert(!pos.checkers());
784
785     // Probe the material hash table
786     me = Material::probe(pos);
787
788     // If we have a specialized evaluation function for the current material
789     // configuration, call it and return.
790     if (me->specialized_eval_exists())
791         return me->evaluate(pos);
792
793     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
794     // the position object (material + piece square tables) and the material
795     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
796     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
797
798     // Probe the pawn hash table
799     pe = Pawns::probe(pos);
800     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
801
802     // Early exit if score is high
803     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
804     if (abs(v) > LazyThreshold + pos.non_pawn_material() / 64)
805        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
806
807     // Main evaluation begins here
808
809     initialize<WHITE>();
810     initialize<BLACK>();
811
812     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
813     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
814             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
815             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
816             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
817
818     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
819
820     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
821             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
822             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
823             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
824
825     score += initiative(score);
826
827     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
828     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
829     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
830        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
831
832     v /= PHASE_MIDGAME;
833
834     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
835     if (T)
836     {
837         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
838         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
839         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
840         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
841         Trace::add(TOTAL, score);
842     }
843
844     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
845            + Eval::Tempo;
846   }
847
848 } // namespace
849
850
851 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
852 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
853
854 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
855   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
856 }
857
858
859 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
860 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
861 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
862
863 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
864
865   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
866
867   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
868
869   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
870
871   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
872
873   std::stringstream ss;
874   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
875      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
876      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
877      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
878      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
879      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
880      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
881      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
882      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
883      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
884      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
885      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
886      << " King safety | " << Term(KING)
887      << "     Threats | " << Term(THREAT)
888      << "      Passed | " << Term(PASSED)
889      << "       Space | " << Term(SPACE)
890      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
891      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
892      << "       Total | " << Term(TOTAL);
893
894   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
895
896   return ss.str();
897 }