Rank based threats
[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) 2015-2016 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   namespace Trace {
35
36     enum Term { // The first 8 entries are for PieceType
37       MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, TOTAL, TERM_NB
38     };
39
40     double scores[TERM_NB][COLOR_NB][PHASE_NB];
41
42     double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
43
44     void add(int idx, Color c, Score s) {
45       scores[idx][c][MG] = to_cp(mg_value(s));
46       scores[idx][c][EG] = to_cp(eg_value(s));
47     }
48
49     void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
50       add(idx, WHITE, w); add(idx, BLACK, b);
51     }
52
53     std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
54
55       if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == Term(PAWN) || t == TOTAL)
56           os << "  ---   --- |   ---   --- | ";
57       else
58           os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] << " "
59              << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] << " | "
60              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][MG] << " "
61              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][EG] << " | ";
62
63       os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] - scores[t][BLACK][MG] << " "
64          << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] - scores[t][BLACK][EG] << " \n";
65
66       return os;
67     }
68   }
69
70   using namespace Trace;
71
72   // Struct EvalInfo contains various information computed and collected
73   // by the evaluation functions.
74   struct EvalInfo {
75
76     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
77     // attacked by a given color and piece type (can be also ALL_PIECES).
78     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
79
80     // attackedBy2[color] are the squares attacked by 2 pieces of a given color,
81     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
82     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
83     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
84
85     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
86     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
87     // adjacent to the king, and the three (or two, for a king on an edge file)
88     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
89     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
90     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
91     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
92
93     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
94     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
95     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
96
97     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of the
98     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
99     // weights of the individual piece types are given by the elements in the
100     // KingAttackWeights array.
101     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
102
103     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks by the given
104     // color to squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack
105     // more than one square are counted multiple times. For instance, if there is
106     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
107     // to kingAdjacentZoneAttacksCount[WHITE].
108     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
109
110     Bitboard pinnedPieces[COLOR_NB];
111     Material::Entry* me;
112     Pawns::Entry* pi;
113   };
114
115   #define V(v) Value(v)
116   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
117
118   // MobilityBonus[PieceType][attacked] contains bonuses for middle and end
119   // game, indexed by piece type and number of attacked squares in the MobilityArea.
120   const Score MobilityBonus[][32] = {
121     {}, {},
122     { S(-75,-76), S(-56,-54), S( -9,-26), S( -2,-10), S(  6,  5), S( 15, 11), // Knights
123       S( 22, 26), S( 30, 28), S( 36, 29) },
124     { S(-48,-58), S(-21,-19), S( 16, -2), S( 26, 12), S( 37, 22), S( 51, 42), // Bishops
125       S( 54, 54), S( 63, 58), S( 65, 63), S( 71, 70), S( 79, 74), S( 81, 86),
126       S( 92, 90), S( 97, 94) },
127     { S(-56,-78), S(-25,-18), S(-11, 26), S( -5, 55), S( -4, 70), S( -1, 81), // Rooks
128       S(  8,109), S( 14,120), S( 21,128), S( 23,143), S( 31,154), S( 32,160),
129       S( 43,165), S( 49,168), S( 59,169) },
130     { S(-40,-35), S(-25,-12), S(  2,  7), S(  4, 19), S( 14, 37), S( 24, 55), // Queens
131       S( 25, 62), S( 40, 76), S( 43, 79), S( 47, 87), S( 54, 94), S( 56,102),
132       S( 60,111), S( 70,116), S( 72,118), S( 73,122), S( 75,128), S( 77,130),
133       S( 85,133), S( 94,136), S( 99,140), S(108,157), S(112,158), S(113,161),
134       S(118,174), S(119,177), S(123,191), S(128,199) }
135   };
136
137   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for knights and
138   // bishops outposts, bigger if outpost piece is supported by a pawn.
139   const Score Outpost[][2] = {
140     { S(43,11), S(65,20) }, // Knights
141     { S(20, 3), S(29, 8) }  // Bishops
142   };
143
144   // ReachableOutpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for
145   // knights and bishops which can reach an outpost square in one move, bigger
146   // if outpost square is supported by a pawn.
147   const Score ReachableOutpost[][2] = {
148     { S(21, 5), S(35, 8) }, // Knights
149     { S( 8, 0), S(14, 4) }  // Bishops
150   };
151
152   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is no
153   // friendly pawn on the rook file.
154   const Score RookOnFile[2] = { S(20, 7), S(45, 20) };
155
156   // ThreatBySafePawn[PieceType] contains bonuses according to which piece
157   // type is attacked by a pawn which is protected or is not attacked.
158   const Score ThreatBySafePawn[PIECE_TYPE_NB] = {
159     S(0, 0), S(0, 0), S(176, 139), S(131, 127), S(217, 218), S(203, 215)
160   };
161
162   // Threat[by minor/by rook][attacked PieceType] contains
163   // bonuses according to which piece type attacks which one.
164   // Attacks on lesser pieces which are pawn-defended are not considered.
165   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
166     { S(0, 0), S(0, 33), S(45, 43), S(46, 47), S(72,107), S(48,118) }, // by Minor
167     { S(0, 0), S(0, 25), S(40, 62), S(40, 59), S( 0, 34), S(35, 48) }  // by Rook
168   };
169
170   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for King attacks on
171   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
172   const Score ThreatByKing[2] = { S(3, 62), S(9, 138) };
173
174   // Passed[mg/eg][Rank] contains midgame and endgame bonuses for passed pawns.
175   // We don't use a Score because we process the two components independently.
176   const Value Passed[][RANK_NB] = {
177     { V(5), V( 5), V(31), V(73), V(166), V(252) },
178     { V(7), V(14), V(38), V(73), V(166), V(252) }
179   };
180
181   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
182   const Score PassedFile[FILE_NB] = {
183     S(  9, 10), S( 2, 10), S( 1, -8), S(-20,-12),
184     S(-20,-12), S( 1, -8), S( 2, 10), S( 9, 10)
185   };
186
187   // Assorted bonuses and penalties used by evaluation
188   const Score MinorBehindPawn     = S(16,  0);
189   const Score BishopPawns         = S( 8, 12);
190   const Score RookOnPawn          = S( 8, 24);
191   const Score TrappedRook         = S(92,  0);
192   const Score CloseEnemies        = S( 7,  0);
193   const Score SafeCheck           = S(20, 20);
194   const Score OtherCheck          = S(10, 10);
195   const Score ThreatByHangingPawn = S(71, 61);
196   const Score LooseEnemies        = S( 0, 25);
197   const Score WeakQueen           = S(35,  0);
198   const Score Hanging             = S(48, 27);
199   const Score ThreatByPawnPush    = S(38, 22);
200   const Score Unstoppable         = S( 0, 20);
201   const Score PawnlessFlank       = S(20, 80);
202   const Score HinderPassedPawn    = S( 7,  0);
203   const Score ThreatByRank        = S(16,  3);
204
205   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
206   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
207   // happen in Chess960 games.
208   const Score TrappedBishopA1H1 = S(50, 50);
209
210   #undef S
211   #undef V
212
213   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
214   const int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 78, 56, 45, 11 };
215
216   // Penalties for enemy's safe checks
217   const int QueenContactCheck = 997;
218   const int QueenCheck        = 695;
219   const int RookCheck         = 638;
220   const int BishopCheck       = 538;
221   const int KnightCheck       = 874;
222
223
224   // eval_init() initializes king and attack bitboards for a given color
225   // adding pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
226
227   template<Color Us>
228   void eval_init(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
229
230     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
231     const Square Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
232
233     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
234     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING];
235     ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] |= b;
236     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
237     ei.attackedBy2[Us] = ei.attackedBy[Us][PAWN] & ei.attackedBy[Us][KING];
238
239     // Init king safety tables only if we are going to use them
240     if (pos.non_pawn_material(Us) >= QueenValueMg)
241     {
242         ei.kingRing[Them] = b | shift<Down>(b);
243         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
244         ei.kingAttackersCount[Us] = popcount(b);
245         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
246     }
247     else
248         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
249   }
250
251
252   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given
253   // color and type.
254
255   template<bool DoTrace, Color Us = WHITE, PieceType Pt = KNIGHT>
256   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility,
257                         const Bitboard* mobilityArea) {
258     Bitboard b, bb;
259     Square s;
260     Score score = SCORE_ZERO;
261
262     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
263     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
264     const Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
265                                                : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
266     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
267
268     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
269
270     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
271     {
272         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
273         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
274           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
275                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
276
277         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
278             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
279
280         ei.attackedBy2[Us] |= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
281         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
282
283         if (b & ei.kingRing[Them])
284         {
285             ei.kingAttackersCount[Us]++;
286             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
287             ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount(b & ei.attackedBy[Them][KING]);
288         }
289
290         if (Pt == QUEEN)
291             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
292                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
293                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
294
295         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
296
297         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
298
299         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
300         {
301             // Bonus for outpost squares
302             bb = OutpostRanks & ~ei.pi->pawn_attacks_span(Them);
303             if (bb & s)
304                 score += Outpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & s)];
305             else
306             {
307                 bb &= b & ~pos.pieces(Us);
308                 if (bb)
309                    score += ReachableOutpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
310             }
311
312             // Bonus when behind a pawn
313             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
314                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
315                 score += MinorBehindPawn;
316
317             // Penalty for pawns on the same color square as the bishop
318             if (Pt == BISHOP)
319                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
320
321             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
322             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
323             // when that pawn is also blocked.
324             if (   Pt == BISHOP
325                 && pos.is_chess960()
326                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
327             {
328                 Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
329                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
330                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
331                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
332                                                                               : TrappedBishopA1H1;
333             }
334         }
335
336         if (Pt == ROOK)
337         {
338             // Bonus for aligning with enemy pawns on the same rank/file
339             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
340                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
341
342             // Bonus when on an open or semi-open file
343             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
344                 score += RookOnFile[!!ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s))];
345
346             // Penalize when trapped by the king, even more if the king cannot castle
347             else if (mob <= 3)
348             {
349                 Square ksq = pos.square<KING>(Us);
350
351                 if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
352                     && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
353                     && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
354                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
355             }
356         }
357
358         if (Pt == QUEEN)
359         {
360             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
361             Bitboard pinners;
362             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, pinners))
363                 score -= WeakQueen;
364         }
365     }
366
367     if (DoTrace)
368         Trace::add(Pt, Us, score);
369
370     // Recursively call evaluate_pieces() of next piece type until KING is excluded
371     return score - evaluate_pieces<DoTrace, Them, NextPt>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
372   }
373
374   template<>
375   Score evaluate_pieces<false, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
376   template<>
377   Score evaluate_pieces< true, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
378
379
380   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
381
382   const Bitboard WhiteCamp = Rank1BB | Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB | Rank5BB;
383   const Bitboard BlackCamp = Rank8BB | Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB | Rank4BB;
384   const Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
385   const Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
386   const Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
387
388   const Bitboard KingFlank[COLOR_NB][FILE_NB] = {
389     { QueenSide   & WhiteCamp, QueenSide & WhiteCamp, QueenSide & WhiteCamp, CenterFiles & WhiteCamp,
390       CenterFiles & WhiteCamp, KingSide  & WhiteCamp, KingSide  & WhiteCamp, KingSide    & WhiteCamp },
391     { QueenSide   & BlackCamp, QueenSide & BlackCamp, QueenSide & BlackCamp, CenterFiles & BlackCamp,
392       CenterFiles & BlackCamp, KingSide  & BlackCamp, KingSide  & BlackCamp, KingSide    & BlackCamp },
393   };
394
395   template<Color Us, bool DoTrace>
396   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
397
398     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
399     const Square  Up = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
400
401     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe, other;
402     int kingDanger;
403     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
404
405     // King shelter and enemy pawns storm
406     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
407
408     // Main king safety evaluation
409     if (ei.kingAttackersCount[Them])
410     {
411         // Find the attacked squares which are defended only by the king...
412         undefended =   ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
413                     &  ei.attackedBy[Us][KING]
414                     & ~ei.attackedBy2[Us];
415
416         // ... and those which are not defended at all in the larger king ring
417         b =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] & ~ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]
418            & ei.kingRing[Us] & ~pos.pieces(Them);
419
420         // Initialize the 'kingDanger' variable, which will be transformed
421         // later into a king danger score. The initial value is based on the
422         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
423         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
424         // the pawn shelter (current 'score' value).
425         kingDanger =  std::min(807, ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them])
426                     + 101 * ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them]
427                     + 235 * popcount(undefended)
428                     + 134 * (popcount(b) + !!ei.pinnedPieces[Us])
429                     - 717 * !pos.count<QUEEN>(Them)
430                     -   7 * mg_value(score) / 5 - 5;
431
432         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
433         // undefended squares around the king reachable by the enemy queen...
434         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
435
436         // ...and keep squares supported by another enemy piece
437         kingDanger += QueenContactCheck * popcount(b & ei.attackedBy2[Them]);
438
439         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move...
440         safe  = ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
441
442         // ... and some other potential checks, only requiring the square to be
443         // safe from pawn-attacks, and not being occupied by a blocked pawn.
444         other = ~(   ei.attackedBy[Us][PAWN]
445                   | (pos.pieces(Them, PAWN) & shift<Up>(pos.pieces(PAWN))));
446
447         b1 = pos.attacks_from<ROOK  >(ksq);
448         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq);
449
450         // Enemy queen safe checks
451         if ((b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & safe)
452             kingDanger += QueenCheck, score -= SafeCheck;
453
454         // For other pieces, also consider the square safe if attacked twice,
455         // and only defended by a queen.
456         safe |=  ei.attackedBy2[Them]
457                & ~(ei.attackedBy2[Us] | pos.pieces(Them))
458                & ei.attackedBy[Us][QUEEN];
459
460         // Enemy rooks safe and other checks
461         if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & safe)
462             kingDanger += RookCheck, score -= SafeCheck;
463
464         else if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & other)
465             score -= OtherCheck;
466
467         // Enemy bishops safe and other checks
468         if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & safe)
469             kingDanger += BishopCheck, score -= SafeCheck;
470
471         else if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & other)
472             score -= OtherCheck;
473
474         // Enemy knights safe and other checks
475         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT];
476         if (b & safe)
477             kingDanger += KnightCheck, score -= SafeCheck;
478
479         else if (b & other)
480             score -= OtherCheck;
481
482         // Compute the king danger score and subtract it from the evaluation
483         if (kingDanger > 0)
484             score -= make_score(std::min(kingDanger * kingDanger / 4096,  2 * int(BishopValueMg)), 0);
485     }
486
487     // King tropism: firstly, find squares that opponent attacks in our king flank
488     File kf = file_of(ksq);
489     b = ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[Us][kf];
490
491     assert(((Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4) & b) == 0);
492     assert(popcount(Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4) == popcount(b));
493
494     // Secondly, add the squares which are attacked twice in that flank and
495     // which are not defended by our pawns.
496     b =  (Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4)
497        | (b & ei.attackedBy2[Them] & ~ei.attackedBy[Us][PAWN]);
498
499     score -= CloseEnemies * popcount(b);
500
501     // Penalty when our king is on a pawnless flank
502     if (!(pos.pieces(PAWN) & (KingFlank[WHITE][kf] | KingFlank[BLACK][kf])))
503         score -= PawnlessFlank;
504
505     if (DoTrace)
506         Trace::add(KING, Us, score);
507
508     return score;
509   }
510
511
512   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the types of the attacking
513   // and the attacked pieces.
514
515   template<Color Us, bool DoTrace>
516   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
517
518     const Color Them        = (Us == WHITE ? BLACK      : WHITE);
519     const Square Up         = (Us == WHITE ? NORTH      : SOUTH);
520     const Square Left       = (Us == WHITE ? NORTH_WEST : SOUTH_EAST);
521     const Square Right      = (Us == WHITE ? NORTH_EAST : SOUTH_WEST);
522     const Bitboard TRank2BB = (Us == WHITE ? Rank2BB    : Rank7BB);
523     const Bitboard TRank7BB = (Us == WHITE ? Rank7BB    : Rank2BB);
524
525     enum { Minor, Rook };
526
527     Bitboard b, weak, defended, safeThreats;
528     Score score = SCORE_ZERO;
529
530     // Small bonus if the opponent has loose pawns or pieces
531     if (   (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, QUEEN, KING))
532         & ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]))
533         score += LooseEnemies;
534
535     // Non-pawn enemies attacked by a pawn
536     weak = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Us][PAWN];
537
538     if (weak)
539     {
540         b = pos.pieces(Us, PAWN) & ( ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
541                                     | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
542
543         safeThreats = (shift<Right>(b) | shift<Left>(b)) & weak;
544
545         if (weak ^ safeThreats)
546             score += ThreatByHangingPawn;
547
548         while (safeThreats)
549             score += ThreatBySafePawn[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&safeThreats)))];
550     }
551
552     // Non-pawn enemies defended by a pawn
553     defended = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Them][PAWN];
554
555     // Enemies not defended by a pawn and under our attack
556     weak =   pos.pieces(Them)
557           & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
558           &  ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
559
560     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
561     if (defended | weak)
562     {
563         b = (defended | weak) & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
564         while (b)
565         {
566             Square s = pop_lsb(&b);
567             score += Threat[Minor][type_of(pos.piece_on(s))];
568             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
569                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
570         }
571
572         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & ei.attackedBy[Us][ROOK];
573         while (b)
574         {
575             Square s = pop_lsb(&b);
576             score += Threat[Rook][type_of(pos.piece_on(s))];
577             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
578                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
579         }
580
581         score += Hanging * popcount(weak & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
582
583         b = weak & ei.attackedBy[Us][KING];
584         if (b)
585             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
586     }
587
588     // Bonus if some pawns can safely push and attack an enemy piece
589     b = pos.pieces(Us, PAWN) & ~TRank7BB;
590     b = shift<Up>(b | (shift<Up>(b & TRank2BB) & ~pos.pieces()));
591
592     b &=  ~pos.pieces()
593         & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
594         & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
595
596     b =  (shift<Left>(b) | shift<Right>(b))
597        &  pos.pieces(Them)
598        & ~ei.attackedBy[Us][PAWN];
599
600     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
601
602     if (DoTrace)
603         Trace::add(THREAT, Us, score);
604
605     return score;
606   }
607
608
609   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
610
611   template<Color Us, bool DoTrace>
612   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
613
614     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
615
616     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
617     Score score = SCORE_ZERO;
618
619     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
620
621     while (b)
622     {
623         Square s = pop_lsb(&b);
624
625         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
626         assert(!(pos.pieces(PAWN) & forward_bb(Us, s)));
627
628         bb = forward_bb(Us, s) & (ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
629         score -= HinderPassedPawn * popcount(bb);
630
631         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
632         int rr = r * (r - 1);
633
634         Value mbonus = Passed[MG][r], ebonus = Passed[EG][r];
635
636         if (rr)
637         {
638             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
639
640             // Adjust bonus based on the king's proximity
641             ebonus +=  distance(pos.square<KING>(Them), blockSq) * 5 * rr
642                      - distance(pos.square<KING>(Us  ), blockSq) * 2 * rr;
643
644             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
645             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
646                 ebonus -= distance(pos.square<KING>(Us), blockSq + pawn_push(Us)) * rr;
647
648             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
649             if (pos.empty(blockSq))
650             {
651                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
652                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
653                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
654                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
655
656                 bb = forward_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
657
658                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
659                     defendedSquares &= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
660
661                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
662                     unsafeSquares &= ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
663
664                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
665                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
666                 int k = !unsafeSquares ? 18 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 8 : 0;
667
668                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
669                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
670                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
671                     k += 6;
672
673                 else if (defendedSquares & blockSq)
674                     k += 4;
675
676                 mbonus += k * rr, ebonus += k * rr;
677             }
678             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
679                 mbonus += rr + r * 2, ebonus += rr + r * 2;
680         } // rr != 0
681
682         score += make_score(mbonus, ebonus) + PassedFile[file_of(s)];
683     }
684
685     if (DoTrace)
686         Trace::add(PASSED, Us, score);
687
688     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
689     return score;
690   }
691
692
693   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
694   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
695   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
696   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
697   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
698   // improve play on game opening.
699   template<Color Us>
700   Score evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
701
702     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
703     const Bitboard SpaceMask =
704       Us == WHITE ? (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
705                   : (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
706
707     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
708     // SpaceMask. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
709     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
710     Bitboard safe =   SpaceMask
711                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
712                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
713                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
714
715     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
716     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
717     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
718     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
719
720     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board...
721     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
722
723     // ...count safe + (behind & safe) with a single popcount
724     int bonus = popcount((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
725     bonus = std::min(16, bonus);
726     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * ei.pi->open_files();
727
728     return make_score(bonus * weight * weight / 18, 0);
729   }
730
731
732   // evaluate_initiative() computes the initiative correction value for the
733   // position, i.e., second order bonus/malus based on the known attacking/defending
734   // status of the players.
735   Score evaluate_initiative(const Position& pos, int asymmetry, Value eg) {
736
737     int kingDistance =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
738                       - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
739     int pawns = pos.count<PAWN>(WHITE) + pos.count<PAWN>(BLACK);
740
741     // Compute the initiative bonus for the attacking side
742     int initiative = 8 * (asymmetry + kingDistance - 15) + 12 * pawns;
743
744     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
745     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
746     // that the endgame score will never be divided by more than two.
747     int value = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(initiative, -abs(eg / 2));
748
749     return make_score(0, value);
750   }
751
752
753   // evaluate_scale_factor() computes the scale factor for the winning side
754   ScaleFactor evaluate_scale_factor(const Position& pos, const EvalInfo& ei, Value eg) {
755
756     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
757     ScaleFactor sf = ei.me->scale_factor(pos, strongSide);
758
759     // If we don't already have an unusual scale factor, check for certain
760     // types of endgames, and use a lower scale for those.
761     if (    ei.me->game_phase() < PHASE_MIDGAME
762         && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
763     {
764         if (pos.opposite_bishops())
765         {
766             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces (ignoring pawns)
767             // is almost a draw, in case of KBP vs KB, it is even more a draw.
768             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
769                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
770                 sf = more_than_one(pos.pieces(PAWN)) ? ScaleFactor(31) : ScaleFactor(9);
771
772             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
773             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
774             else
775                 sf = ScaleFactor(46);
776         }
777         // Endings where weaker side can place his king in front of the opponent's
778         // pawns are drawish.
779         else if (    abs(eg) <= BishopValueEg
780                  &&  pos.count<PAWN>(strongSide) <= 2
781                  && !pos.pawn_passed(~strongSide, pos.square<KING>(~strongSide)))
782             sf = ScaleFactor(37 + 7 * pos.count<PAWN>(strongSide));
783     }
784
785     return sf;
786   }
787
788 } // namespace
789
790
791 /// evaluate() is the main evaluation function. It returns a static evaluation
792 /// of the position from the point of view of the side to move.
793
794 template<bool DoTrace>
795 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
796
797   assert(!pos.checkers());
798
799   Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
800   EvalInfo ei;
801
802   // Probe the material hash table
803   ei.me = Material::probe(pos);
804
805   // If we have a specialized evaluation function for the current material
806   // configuration, call it and return.
807   if (ei.me->specialized_eval_exists())
808       return ei.me->evaluate(pos);
809
810   // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
811   // the position object (material + piece square tables) and the material
812   // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
813   Score score = pos.psq_score() + ei.me->imbalance();
814
815   // Probe the pawn hash table
816   ei.pi = Pawns::probe(pos);
817   score += ei.pi->pawns_score();
818
819   // Initialize attack and king safety bitboards
820   ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] = 0;
821   ei.attackedBy[WHITE][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(WHITE));
822   ei.attackedBy[BLACK][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(BLACK));
823   eval_init<WHITE>(pos, ei);
824   eval_init<BLACK>(pos, ei);
825
826   // Pawns blocked or on ranks 2 and 3 will be excluded from the mobility area
827   Bitboard blockedPawns[] = {
828     pos.pieces(WHITE, PAWN) & (shift<SOUTH>(pos.pieces()) | Rank2BB | Rank3BB),
829     pos.pieces(BLACK, PAWN) & (shift<NORTH>(pos.pieces()) | Rank7BB | Rank6BB)
830   };
831
832   // Do not include in mobility area squares protected by enemy pawns, or occupied
833   // by our blocked pawns or king.
834   Bitboard mobilityArea[] = {
835     ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | blockedPawns[WHITE] | pos.square<KING>(WHITE)),
836     ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | blockedPawns[BLACK] | pos.square<KING>(BLACK))
837   };
838
839   // Evaluate all pieces but king and pawns
840   score += evaluate_pieces<DoTrace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
841   score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
842
843   // Evaluate kings after all other pieces because we need full attack
844   // information when computing the king safety evaluation.
845   score +=  evaluate_king<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
846           - evaluate_king<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
847
848   // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
849   score +=  evaluate_threats<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
850           - evaluate_threats<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
851
852   // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
853   score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
854           - evaluate_passed_pawns<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
855
856   // If both sides have only pawns, score for potential unstoppable pawns
857   if (!pos.non_pawn_material(WHITE) && !pos.non_pawn_material(BLACK))
858   {
859       Bitboard b;
860       if ((b = ei.pi->passed_pawns(WHITE)) != 0)
861           score += Unstoppable * int(relative_rank(WHITE, frontmost_sq(WHITE, b)));
862
863       if ((b = ei.pi->passed_pawns(BLACK)) != 0)
864           score -= Unstoppable * int(relative_rank(BLACK, frontmost_sq(BLACK, b)));
865   }
866
867   // Evaluate space for both sides, only during opening
868   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >= 12222)
869       score +=  evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
870               - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
871
872   // Evaluate position potential for the winning side
873   score += evaluate_initiative(pos, ei.pi->pawn_asymmetry(), eg_value(score));
874
875   // Evaluate scale factor for the winning side
876   ScaleFactor sf = evaluate_scale_factor(pos, ei, eg_value(score));
877
878   // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
879   Value v =  mg_value(score) * int(ei.me->game_phase())
880            + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - ei.me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
881
882   v /= int(PHASE_MIDGAME);
883
884   // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
885   if (DoTrace)
886   {
887       Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
888       Trace::add(IMBALANCE, ei.me->imbalance());
889       Trace::add(PAWN, ei.pi->pawns_score());
890       Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
891       Trace::add(SPACE, evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
892                       , evaluate_space<BLACK>(pos, ei));
893       Trace::add(TOTAL, score);
894   }
895
896   return (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Eval::Tempo; // Side to move point of view
897 }
898
899 // Explicit template instantiations
900 template Value Eval::evaluate<true >(const Position&);
901 template Value Eval::evaluate<false>(const Position&);
902
903
904 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
905 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
906 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
907
908 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
909
910   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
911
912   Value v = evaluate<true>(pos);
913   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
914
915   std::stringstream ss;
916   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
917      << "      Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
918      << "                |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
919      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
920      << "       Material | " << Term(MATERIAL)
921      << "      Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
922      << "          Pawns | " << Term(PAWN)
923      << "        Knights | " << Term(KNIGHT)
924      << "         Bishop | " << Term(BISHOP)
925      << "          Rooks | " << Term(ROOK)
926      << "         Queens | " << Term(QUEEN)
927      << "       Mobility | " << Term(MOBILITY)
928      << "    King safety | " << Term(KING)
929      << "        Threats | " << Term(THREAT)
930      << "   Passed pawns | " << Term(PASSED)
931      << "          Space | " << Term(SPACE)
932      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
933      << "          Total | " << Term(TOTAL);
934
935   ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
936
937   return ss.str();
938 }