99c0cd6e1acd512ccc8eaa04cb8609a44f9a4cc0
[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 2 pieces of a given color,
191     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
192     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
193     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
194
195     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king, plus (only for a
196     // king on its first rank) the squares two ranks in front. For instance,
197     // if black's king is on g8, kingRing[BLACK] is f8, h8, f7, g7, h7, f6, g6
198     // and h6.
199     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
200
201     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
202     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
203     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
204
205     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
206     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
207     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
208     // the KingAttackWeights array.
209     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
210
211     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
212     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
213     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
214     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
215     // to kingAttacksCount[WHITE].
216     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
217   };
218
219
220   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
221   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
222   template<Tracing T> template<Color Us>
223   void Evaluation<T>::initialize() {
224
225     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
226     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
227     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
228     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB: Rank7BB | Rank6BB);
229
230     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
231
232     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
233     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
234
235     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen or controlled by
236     // enemy pawns are excluded from the mobility area.
237     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
238
239     // Initialize attackedBy[] for king and pawns
240     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(ksq);
241     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
242     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
243     attackedBy2[Us]            = attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN];
244
245     // Init our king safety tables
246     kingRing[Us] = attackedBy[Us][KING];
247     if (relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
248         kingRing[Us] |= shift<Up>(kingRing[Us]);
249
250     if (file_of(ksq) == FILE_H)
251         kingRing[Us] |= shift<WEST>(kingRing[Us]);
252
253     else if (file_of(ksq) == FILE_A)
254         kingRing[Us] |= shift<EAST>(kingRing[Us]);
255
256     kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
257     kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
258
259     // Remove from kingRing[] the squares defended by two pawns
260     kingRing[Us] &= ~pawn_double_attacks_bb<Us>(pos.pieces(Us, PAWN));
261   }
262
263
264   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
265   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
266   Score Evaluation<T>::pieces() {
267
268     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
269     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
270     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
271                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
272     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
273
274     Bitboard b, bb;
275     Score score = SCORE_ZERO;
276
277     attackedBy[Us][Pt] = 0;
278
279     for (Square s = *pl; s != SQ_NONE; s = *++pl)
280     {
281         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
282         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
283           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
284                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
285
286         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
287             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
288
289         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
290         attackedBy[Us][Pt] |= b;
291         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
292
293         if (b & kingRing[Them])
294         {
295             kingAttackersCount[Us]++;
296             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
297             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
298         }
299
300         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
301
302         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
303
304         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
305         {
306             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
307             bb = OutpostRanks & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
308             if (bb & s)
309                 score += Outpost * (Pt == KNIGHT ? 4 : 2)
310                                  * (1 + bool(attackedBy[Us][PAWN] & s));
311
312             else if (bb &= b & ~pos.pieces(Us))
313                 score += Outpost * (Pt == KNIGHT ? 2 : 1)
314                                  * (1 + bool(attackedBy[Us][PAWN] & bb));
315
316             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
317             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
318                 score += MinorBehindPawn;
319
320             // Penalty if the piece is far from the king
321             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
322
323             if (Pt == BISHOP)
324             {
325                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
326                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
327                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
328
329                 score -= BishopPawns * pe->pawns_on_same_color_squares(Us, s)
330                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
331
332                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
333                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
334                     score += LongDiagonalBishop;
335             }
336
337             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
338             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
339             // when that pawn is also blocked.
340             if (   Pt == BISHOP
341                 && pos.is_chess960()
342                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
343             {
344                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
345                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
346                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
347                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
348                                                                               : CorneredBishop;
349             }
350         }
351
352         if (Pt == ROOK)
353         {
354             // Bonus for aligning rook with enemy pawns on the same rank/file
355             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
356                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
357
358             // Bonus for rook on an open or semi-open file
359             if (pe->semiopen_file(Us, file_of(s)))
360                 score += RookOnFile[bool(pe->semiopen_file(Them, file_of(s)))];
361
362             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
363             else if (mob <= 3)
364             {
365                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
366                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
367                     score -= TrappedRook * (1 + !pos.castling_rights(Us));
368             }
369         }
370
371         if (Pt == QUEEN)
372         {
373             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
374             Bitboard queenPinners;
375             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
376                 score -= WeakQueen;
377         }
378     }
379     if (T)
380         Trace::add(Pt, Us, score);
381
382     return score;
383   }
384
385
386   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
387   template<Tracing T> template<Color Us>
388   Score Evaluation<T>::king() const {
389
390     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
391     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
392                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
393
394     Bitboard weak, b1, b2, safe, unsafeChecks = 0;
395     Bitboard rookChecks, queenChecks, bishopChecks, knightChecks;
396     int kingDanger = 0;
397     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
398
399     // Init the score with king shelter and enemy pawns storm
400     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
401
402     // Attacked squares defended at most once by our queen or king
403     weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
404           & ~attackedBy2[Us]
405           & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
406
407     // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
408     safe  = ~pos.pieces(Them);
409     safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
410
411     b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
412     b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
413
414     // Enemy rooks checks
415     rookChecks = b1 & safe & attackedBy[Them][ROOK];
416
417     if (rookChecks)
418         kingDanger += RookSafeCheck;
419     else
420         unsafeChecks |= b1 & attackedBy[Them][ROOK];
421
422     // Enemy queen safe checks: we count them only if they are from squares from
423     // which we can't give a rook check, because rook checks are more valuable.
424     queenChecks =  (b1 | b2)
425                  & attackedBy[Them][QUEEN]
426                  & safe
427                  & ~attackedBy[Us][QUEEN]
428                  & ~rookChecks;
429
430     if (queenChecks)
431         kingDanger += QueenSafeCheck;
432
433     // Enemy bishops checks: we count them only if they are from squares from
434     // which we can't give a queen check, because queen checks are more valuable.
435     bishopChecks =  b2
436                   & attackedBy[Them][BISHOP]
437                   & safe
438                   & ~queenChecks;
439
440     if (bishopChecks)
441         kingDanger += BishopSafeCheck;
442     else
443         unsafeChecks |= b2 & attackedBy[Them][BISHOP];
444
445     // Enemy knights checks
446     knightChecks = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
447
448     if (knightChecks & safe)
449         kingDanger += KnightSafeCheck;
450     else
451         unsafeChecks |= knightChecks;
452
453     // Unsafe or occupied checking squares will also be considered, as long as
454     // the square is in the attacker's mobility area.
455     unsafeChecks &= mobilityArea[Them];
456
457     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
458     // which are attacked twice in that flank.
459     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
460     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
461
462     int kingFlankAttacks = popcount(b1) + popcount(b2);
463
464     kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
465                  +  69 * kingAttacksCount[Them]
466                  + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
467                  - 100 * bool(attackedBy[Us][KNIGHT] & attackedBy[Us][KING])
468                  + 150 * popcount(pos.blockers_for_king(Us) | unsafeChecks)
469                  - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
470                  -   6 * mg_value(score) / 8
471                  +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
472                  +   5 * kingFlankAttacks * kingFlankAttacks / 16
473                  -   25;
474
475     // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
476     if (kingDanger > 0)
477         score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
478
479     // Penalty when our king is on a pawnless flank
480     if (!(pos.pieces(PAWN) & KingFlank[file_of(ksq)]))
481         score -= PawnlessFlank;
482
483     // Penalty if king flank is under attack, potentially moving toward the king
484     score -= FlankAttacks * kingFlankAttacks;
485
486     if (T)
487         Trace::add(KING, Us, score);
488
489     return score;
490   }
491
492
493   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
494   // attacking and the attacked pieces.
495   template<Tracing T> template<Color Us>
496   Score Evaluation<T>::threats() const {
497
498     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
499     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
500     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
501
502     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
503     Score score = SCORE_ZERO;
504
505     // Non-pawn enemies
506     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
507
508     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
509     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
510     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
511                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
512
513     // Non-pawn enemies, strongly protected
514     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
515
516     // Enemies not strongly protected and under our attack
517     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
518
519     // Safe or protected squares
520     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
521
522     // Bonus according to the kind of attacking pieces
523     if (defended | weak)
524     {
525         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
526         while (b)
527         {
528             Square s = pop_lsb(&b);
529             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
530             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
531                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
532         }
533
534         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
535         while (b)
536         {
537             Square s = pop_lsb(&b);
538             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
539             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
540                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
541         }
542
543         if (weak & attackedBy[Us][KING])
544             score += ThreatByKing;
545
546         b =  ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]
547            | (nonPawnEnemies & attackedBy2[Us]);
548         score += Hanging * popcount(weak & b);
549     }
550
551     // Bonus for restricting their piece moves
552     b =   attackedBy[Them][ALL_PIECES]
553        & ~stronglyProtected
554        &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
555
556     score += RestrictedPiece * popcount(b);
557
558     // Bonus for enemy unopposed weak pawns
559     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
560         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
561
562     // Find squares where our pawns can push on the next move
563     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
564     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
565
566     // Keep only the squares which are relatively safe
567     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
568
569     // Bonus for safe pawn threats on the next move
570     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & pos.pieces(Them);
571     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
572
573     // Our safe or protected pawns
574     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
575
576     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
577     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
578
579     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
580     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
581     {
582         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
583         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
584
585         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
586
587         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
588
589         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
590            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
591
592         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
593     }
594
595     if (T)
596         Trace::add(THREAT, Us, score);
597
598     return score;
599   }
600
601   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
602   // pawns of the given color.
603
604   template<Tracing T> template<Color Us>
605   Score Evaluation<T>::passed() const {
606
607     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
608     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
609
610     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
611       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
612     };
613
614     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
615     Score score = SCORE_ZERO;
616
617     b = pe->passed_pawns(Us);
618
619     while (b)
620     {
621         Square s = pop_lsb(&b);
622
623         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
624
625         int r = relative_rank(Us, s);
626
627         Score bonus = PassedRank[r];
628
629         if (r > RANK_3)
630         {
631             int w = (r-2) * (r-2) + 2;
632             Square blockSq = s + Up;
633
634             // Adjust bonus based on the king's proximity
635             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
636                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
637
638             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
639             if (r != RANK_7)
640                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
641
642             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
643             if (pos.empty(blockSq))
644             {
645                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
646                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
647                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
648                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
649
650                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
651
652                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
653                     defendedSquares &= attackedBy[Us][ALL_PIECES];
654
655                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
656                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
657
658                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
659                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
660                 int k = !unsafeSquares ? 20 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
661
662                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
663                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
664                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
665                     k += 6;
666
667                 else if (defendedSquares & blockSq)
668                     k += 4;
669
670                 bonus += make_score(k * w, k * w);
671             }
672         } // rank > RANK_3
673
674         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
675         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
676         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
677             || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
678             bonus = bonus / 2;
679
680         score += bonus + PassedFile[file_of(s)];
681     }
682
683     if (T)
684         Trace::add(PASSED, Us, score);
685
686     return score;
687   }
688
689
690   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
691   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
692   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
693   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
694   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
695   // improve play on game opening.
696
697   template<Tracing T> template<Color Us>
698   Score Evaluation<T>::space() const {
699
700     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
701         return SCORE_ZERO;
702
703     constexpr Color Them     = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
704     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
705     constexpr Bitboard SpaceMask =
706       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
707                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
708
709     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
710     Bitboard safe =   SpaceMask
711                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
712                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
713
714     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
715     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
716     behind |= shift<Down>(behind);
717     behind |= shift<Down>(shift<Down>(behind));
718
719     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe);
720     int weight =  pos.count<ALL_PIECES>(Us)
721                 - 2 * popcount(pe->semiopenFiles[WHITE] & pe->semiopenFiles[BLACK]);
722
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(WHITE) == BishopValueMg
778             && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
779             sf = 16 + 4 * pe->passed_count();
780         else
781             sf = std::min(40 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide), sf);
782
783     }
784
785     return ScaleFactor(sf);
786   }
787
788
789   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
790   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
791   // of view of the side to move.
792
793   template<Tracing T>
794   Value Evaluation<T>::value() {
795
796     assert(!pos.checkers());
797
798     // Probe the material hash table
799     me = Material::probe(pos);
800
801     // If we have a specialized evaluation function for the current material
802     // configuration, call it and return.
803     if (me->specialized_eval_exists())
804         return me->evaluate(pos);
805
806     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
807     // the position object (material + piece square tables) and the material
808     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
809     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
810
811     // Probe the pawn hash table
812     pe = Pawns::probe(pos);
813     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
814
815     // Early exit if score is high
816     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
817     if (abs(v) > LazyThreshold)
818        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
819
820     // Main evaluation begins here
821
822     initialize<WHITE>();
823     initialize<BLACK>();
824
825     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
826     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
827             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
828             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
829             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
830
831     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
832
833     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
834             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
835             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
836             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
837
838     score += initiative(eg_value(score));
839
840     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
841     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
842     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
843        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
844
845     v /= PHASE_MIDGAME;
846
847     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
848     if (T)
849     {
850         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
851         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
852         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
853         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
854         Trace::add(TOTAL, score);
855     }
856
857     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
858            + Eval::Tempo;
859   }
860
861 } // namespace
862
863
864 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
865 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
866
867 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
868   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
869 }
870
871
872 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
873 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
874 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
875
876 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
877
878   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
879
880   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
881
882   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
883
884   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
885
886   std::stringstream ss;
887   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
888      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
889      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
890      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
891      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
892      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
893      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
894      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
895      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
896      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
897      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
898      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
899      << " King safety | " << Term(KING)
900      << "     Threats | " << Term(THREAT)
901      << "      Passed | " << Term(PASSED)
902      << "       Space | " << Term(SPACE)
903      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
904      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
905      << "       Total | " << Term(TOTAL);
906
907   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
908
909   return ss.str();
910 }