9b3c4bc2ef31acd4b77ec58ff2bbae63070c0fcd
[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 "bitcount.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     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
81     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
82     // adjacent to the king, and the three (or two, for a king on an edge file)
83     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
84     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
85     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
86     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
87
88     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
89     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
90     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
91
92     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of the
93     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
94     // weights of the individual piece types are given by the elements in the
95     // KingAttackWeights array.
96     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
97
98     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks by the given
99     // color to squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack
100     // more than one square are counted multiple times. For instance, if there is
101     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
102     // to kingAdjacentZoneAttacksCount[WHITE].
103     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
104
105     Bitboard pinnedPieces[COLOR_NB];
106     Material::Entry* me;
107     Pawns::Entry* pi;
108   };
109
110
111   // Evaluation weights, indexed by the corresponding evaluation term
112   enum { PawnStructure, PassedPawns, Space, KingSafety };
113
114   const struct Weight { int mg, eg; } Weights[] = {
115     {214, 203}, {193, 262}, {47, 0}, {330, 0} };
116
117   Score operator*(Score s, const Weight& w) {
118     return make_score(mg_value(s) * w.mg / 256, eg_value(s) * w.eg / 256);
119   }
120
121
122   #define V(v) Value(v)
123   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
124
125   // MobilityBonus[PieceType][attacked] contains bonuses for middle and end
126   // game, indexed by piece type and number of attacked squares in the MobilityArea.
127   const Score MobilityBonus[][32] = {
128     {}, {},
129     { S(-75,-76), S(-56,-54), S(- 9,-26), S( -2,-10), S(  6,  5), S( 15, 11), // Knights
130       S( 22, 26), S( 30, 28), S( 36, 29) },
131     { S(-48,-58), S(-21,-19), S( 16, -2), S( 26, 12), S( 37, 22), S( 51, 42), // Bishops
132       S( 54, 54), S( 63, 58), S( 65, 63), S( 71, 70), S( 79, 74), S( 81, 86),
133       S( 92, 90), S( 97, 94) },
134     { S(-56,-78), S(-25,-18), S(-11, 26), S( -5, 55), S( -4, 70), S( -1, 81), // Rooks
135       S(  8,109), S( 14,120), S( 21,128), S( 23,143), S( 31,154), S( 32,160),
136       S( 43,165), S( 49,168), S( 59,169) },
137     { S(-40,-35), S(-25,-12), S(  2,  7), S(  4, 19), S( 14, 37), S( 24, 55), // Queens
138       S( 25, 62), S( 40, 76), S( 43, 79), S( 47, 87), S( 54, 94), S( 56,102),
139       S( 60,111), S( 70,116), S( 72,118), S( 73,122), S( 75,128), S( 77,130),
140       S( 85,133), S( 94,136), S( 99,140), S(108,157), S(112,158), S(113,161),
141       S(118,174), S(119,177), S(123,191), S(128,199) }
142   };
143
144   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for knights and
145   // bishops outposts, bigger if outpost piece is supported by a pawn.
146   const Score Outpost[][2] = {
147     { S(42,11), S(63,17) }, // Knights
148     { S(18, 5), S(27, 8) }  // Bishops
149   };
150
151   // ReachableOutpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for
152   // knights and bishops which can reach an outpost square in one move, bigger
153   // if outpost square is supported by a pawn.
154   const Score ReachableOutpost[][2] = {
155     { S(21, 5), S(31, 8) }, // Knights
156     { S( 8, 2), S(13, 4) }  // Bishops
157   };
158
159   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is no
160   // friendly pawn on the rook file.
161   const Score RookOnFile[2] = { S(19, 10), S(43, 21) };
162
163   // ThreatBySafePawn[PieceType] contains bonuses according to which piece
164   // type is attacked by a pawn which is protected or is not attacked.
165   const Score ThreatBySafePawn[PIECE_TYPE_NB] = {
166     S(0, 0), S(0, 0), S(176, 139), S(131, 127), S(217, 218), S(203, 215) };
167
168   // Threat[by minor/by rook][attacked PieceType] contains
169   // bonuses according to which piece type attacks which one.
170   // Attacks on lesser pieces which are pawn-defended are not considered.
171   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
172     { S(0, 0), S(0, 33), S(45, 43), S(46, 47), S(72,107), S(48,118) }, // by Minor
173     { S(0, 0), S(0, 25), S(40, 62), S(40, 59), S( 0, 34), S(35, 48) }  // by Rook
174   };
175
176   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for King attacks on
177   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
178   const Score ThreatByKing[2] = { S(3, 62), S(9, 138) };
179
180   // Passed[mg/eg][Rank] contains midgame and endgame bonuses for passed pawns.
181   // We don't use a Score because we process the two components independently.
182   const Value Passed[][RANK_NB] = {
183     { V(0), V( 1), V(34), V(90), V(214), V(328) },
184     { V(7), V(14), V(37), V(63), V(134), V(189) }
185   };
186
187   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
188   const Score PassedFile[FILE_NB] = {
189     S( 12, 10), S( 3, 10), S( 1, -8), S(-27,-12),
190     S(-27,-12), S( 1, -8), S( 3, 10), S( 12, 10)
191   };
192
193   // Assorted bonuses and penalties used by evaluation
194   const Score MinorBehindPawn     = S(16,  0);
195   const Score BishopPawns         = S( 8, 12);
196   const Score RookOnPawn          = S( 7, 27);
197   const Score TrappedRook         = S(92,  0);
198   const Score Checked             = S(20, 20);
199   const Score ThreatByHangingPawn = S(70, 63);
200   const Score Hanging             = S(48, 28);
201   const Score ThreatByPawnPush    = S(31, 19);
202   const Score Unstoppable         = S( 0, 20);
203
204   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
205   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
206   // happen in Chess960 games.
207   const Score TrappedBishopA1H1 = S(50, 50);
208
209   #undef S
210   #undef V
211
212   // King danger constants and variables. The king danger scores are looked-up
213   // in KingDanger[]. Various little "meta-bonuses" measuring the strength
214   // of the enemy attack are added up into an integer, which is used as an
215   // index to KingDanger[].
216   Score KingDanger[512];
217
218   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
219   const int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 7, 5, 4, 1 };
220
221   // Penalties for enemy's safe checks
222   const int QueenContactCheck = 89;
223   const int QueenCheck        = 50;
224   const int RookCheck         = 45;
225   const int BishopCheck       = 6;
226   const int KnightCheck       = 14;
227
228
229   // eval_init() initializes king and attack bitboards for a given color
230   // adding pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
231
232   template<Color Us>
233   void eval_init(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
234
235     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
236     const Square Down = (Us == WHITE ? DELTA_S : DELTA_N);
237
238     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
239     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(Them));
240     ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] |= b;
241     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
242
243     // Init king safety tables only if we are going to use them
244     if (pos.non_pawn_material(Us) >= QueenValueMg)
245     {
246         ei.kingRing[Them] = b | shift_bb<Down>(b);
247         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
248         ei.kingAttackersCount[Us] = b ? popcount<Max15>(b) : 0;
249         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
250     }
251     else
252         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
253   }
254
255
256   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given
257   // color and type.
258
259   template<bool DoTrace, Color Us = WHITE, PieceType Pt = KNIGHT>
260   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility,
261                         const Bitboard* mobilityArea) {
262     Bitboard b, bb;
263     Square s;
264     Score score = SCORE_ZERO;
265
266     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
267     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
268     const Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
269                                                : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
270     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
271
272     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
273
274     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
275     {
276         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
277         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
278           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
279                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
280
281         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
282             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
283
284         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
285
286         if (b & ei.kingRing[Them])
287         {
288             ei.kingAttackersCount[Us]++;
289             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
290             bb = b & ei.attackedBy[Them][KING];
291             if (bb)
292                 ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount<Max15>(bb);
293         }
294
295         if (Pt == QUEEN)
296             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
297                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
298                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
299
300         int mob = popcount<Pt == QUEEN ? Full : Max15>(b & mobilityArea[Us]);
301
302         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
303
304         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
305         {
306             // Bonus for outpost squares
307             bb = OutpostRanks & ~ei.pi->pawn_attacks_span(Them);
308             if (bb & s)
309                 score += Outpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & s)];
310             else
311             {
312                 bb &= b & ~pos.pieces(Us);
313                 if (bb)
314                    score += ReachableOutpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
315             }
316
317             // Bonus when behind a pawn
318             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
319                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
320                 score += MinorBehindPawn;
321
322             // Penalty for pawns on the same color square as the bishop
323             if (Pt == BISHOP)
324                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
325
326             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
327             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
328             // when that pawn is also blocked.
329             if (   Pt == BISHOP
330                 && pos.is_chess960()
331                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
332             {
333                 Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? DELTA_E : DELTA_W);
334                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
335                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
336                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
337                                                                               : TrappedBishopA1H1;
338             }
339         }
340
341         if (Pt == ROOK)
342         {
343             // Bonus for aligning with enemy pawns on the same rank/file
344             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
345             {
346                 Bitboard alignedPawns = pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s];
347                 if (alignedPawns)
348                     score += RookOnPawn * popcount<Max15>(alignedPawns);
349             }
350
351             // Bonus when on an open or semi-open file
352             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
353                 score += RookOnFile[!!ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s))];
354
355             // Penalize when trapped by the king, even more if the king cannot castle
356             else if (mob <= 3)
357             {
358                 Square ksq = pos.square<KING>(Us);
359
360                 if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
361                     && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
362                     && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
363                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
364             }
365         }
366     }
367
368     if (DoTrace)
369         Trace::add(Pt, Us, score);
370
371     // Recursively call evaluate_pieces() of next piece type until KING is excluded
372     return score - evaluate_pieces<DoTrace, Them, NextPt>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
373   }
374
375   template<>
376   Score evaluate_pieces<false, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
377   template<>
378   Score evaluate_pieces< true, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
379
380
381   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
382
383   template<Color Us, bool DoTrace>
384   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
385
386     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
387
388     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe;
389     int attackUnits;
390     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
391
392     // King shelter and enemy pawns storm
393     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
394
395     // Main king safety evaluation
396     if (ei.kingAttackersCount[Them])
397     {
398         // Find the attacked squares around the king which have no defenders
399         // apart from the king itself.
400         undefended =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
401                     & ei.attackedBy[Us][KING]
402                     & ~(  ei.attackedBy[Us][PAWN]   | ei.attackedBy[Us][KNIGHT]
403                         | ei.attackedBy[Us][BISHOP] | ei.attackedBy[Us][ROOK]
404                         | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
405
406         // Initialize the 'attackUnits' variable, which is used later on as an
407         // index into the KingDanger[] array. The initial value is based on the
408         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
409         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
410         // the pawn shelter (current 'score' value).
411         attackUnits =  std::min(72, ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them])
412                      +  9 * ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them]
413                      + 27 * popcount<Max15>(undefended)
414                      + 11 * !!ei.pinnedPieces[Us]
415                      - 64 * !pos.count<QUEEN>(Them)
416                      - mg_value(score) / 8;
417
418         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
419         // undefended squares around the king reachable by the enemy queen...
420         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
421         if (b)
422         {
423             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
424             b &=  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
425                 | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][ROOK]
426                 | ei.attackedBy[Them][KING];
427
428             if (b)
429                 attackUnits += QueenContactCheck * popcount<Max15>(b);
430         }
431
432         // Analyse the enemy's safe distance checks for sliders and knights
433         safe = ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
434
435         b1 = pos.attacks_from<ROOK  >(ksq) & safe;
436         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq) & safe;
437
438         // Enemy queen safe checks
439         b = (b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN];
440         if (b)
441         {
442             attackUnits += QueenCheck * popcount<Max15>(b);
443             score -= Checked;
444         }
445
446         // Enemy rooks safe checks
447         b = b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK];
448         if (b)
449         {
450             attackUnits += RookCheck * popcount<Max15>(b);
451             score -= Checked;
452         }
453
454         // Enemy bishops safe checks
455         b = b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP];
456         if (b)
457         {
458             attackUnits += BishopCheck * popcount<Max15>(b);
459             score -= Checked;
460         }
461
462         // Enemy knights safe checks
463         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT] & safe;
464         if (b)
465         {
466             attackUnits += KnightCheck * popcount<Max15>(b);
467             score -= Checked;
468         }
469
470         // Finally, extract the king danger score from the KingDanger[]
471         // array and subtract the score from the evaluation.
472         score -= KingDanger[std::max(std::min(attackUnits, 399), 0)];
473     }
474
475     if (DoTrace)
476         Trace::add(KING, Us, score);
477
478     return score;
479   }
480
481
482   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the types of the attacking 
483   // and the attacked pieces.
484
485   template<Color Us, bool DoTrace>
486   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
487
488     const Color Them        = (Us == WHITE ? BLACK    : WHITE);
489     const Square Up         = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
490     const Square Left       = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
491     const Square Right      = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
492     const Bitboard TRank2BB = (Us == WHITE ? Rank2BB  : Rank7BB);
493     const Bitboard TRank7BB = (Us == WHITE ? Rank7BB  : Rank2BB);
494
495     enum { Minor, Rook };
496
497     Bitboard b, weak, defended, safeThreats;
498     Score score = SCORE_ZERO;
499
500     // Non-pawn enemies attacked by a pawn
501     weak = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Us][PAWN];
502
503     if (weak)
504     {
505         b = pos.pieces(Us, PAWN) & ( ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
506                                     | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
507
508         safeThreats = (shift_bb<Right>(b) | shift_bb<Left>(b)) & weak;
509
510         if (weak ^ safeThreats)
511             score += ThreatByHangingPawn;
512
513         while (safeThreats)
514             score += ThreatBySafePawn[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&safeThreats)))];
515     }
516
517     // Non-pawn enemies defended by a pawn
518     defended = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Them][PAWN];
519
520     // Enemies not defended by a pawn and under our attack
521     weak =   pos.pieces(Them)
522           & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
523           &  ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
524
525     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
526     if (defended | weak)
527     {
528         b = (defended | weak) & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
529         while (b)
530             score += Threat[Minor][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
531
532         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & ei.attackedBy[Us][ROOK];
533         while (b)
534             score += Threat[Rook ][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
535
536         b = weak & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES];
537         if (b)
538             score += Hanging * popcount<Max15>(b);
539
540         b = weak & ei.attackedBy[Us][KING];
541         if (b)
542             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
543     }
544
545     // Bonus if some pawns can safely push and attack an enemy piece
546     b = pos.pieces(Us, PAWN) & ~TRank7BB;
547     b = shift_bb<Up>(b | (shift_bb<Up>(b & TRank2BB) & ~pos.pieces()));
548
549     b &=  ~pos.pieces()
550         & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
551         & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
552
553     b =  (shift_bb<Left>(b) | shift_bb<Right>(b))
554        &  pos.pieces(Them)
555        & ~ei.attackedBy[Us][PAWN];
556
557     if (b)
558         score += ThreatByPawnPush * popcount<Max15>(b);
559
560     if (DoTrace)
561         Trace::add(THREAT, Us, score);
562
563     return score;
564   }
565
566
567   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
568
569   template<Color Us, bool DoTrace>
570   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
571
572     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
573
574     Bitboard b, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
575     Score score = SCORE_ZERO;
576
577     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
578
579     while (b)
580     {
581         Square s = pop_lsb(&b);
582
583         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
584
585         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
586         int rr = r * (r - 1);
587
588         Value mbonus = Passed[MG][r], ebonus = Passed[EG][r];
589
590         if (rr)
591         {
592             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
593
594             // Adjust bonus based on the king's proximity
595             ebonus +=  distance(pos.square<KING>(Them), blockSq) * 5 * rr
596                      - distance(pos.square<KING>(Us  ), blockSq) * 2 * rr;
597
598             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
599             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
600                 ebonus -= distance(pos.square<KING>(Us), blockSq + pawn_push(Us)) * rr;
601
602             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
603             if (pos.empty(blockSq))
604             {
605                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
606                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
607                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
608                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
609
610                 Bitboard bb = forward_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
611
612                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
613                     defendedSquares &= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
614
615                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
616                     unsafeSquares &= ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
617
618                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
619                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
620                 int k = !unsafeSquares ? 18 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 8 : 0;
621
622                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
623                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
624                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
625                     k += 6;
626
627                 else if (defendedSquares & blockSq)
628                     k += 4;
629
630                 mbonus += k * rr, ebonus += k * rr;
631             }
632             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
633                 mbonus += rr * 3 + r * 2 + 3, ebonus += rr + r * 2;
634         } // rr != 0
635
636         if (pos.count<PAWN>(Us) < pos.count<PAWN>(Them))
637             ebonus += ebonus / 4;
638
639         score += make_score(mbonus, ebonus) + PassedFile[file_of(s)];
640     }
641
642     if (DoTrace)
643         Trace::add(PASSED, Us, score * Weights[PassedPawns]);
644
645     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
646     return score * Weights[PassedPawns];
647   }
648
649
650   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
651   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
652   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
653   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
654   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
655   // improve play on game opening.
656   template<Color Us>
657   Score evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
658
659     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
660     const Bitboard SpaceMask =
661       Us == WHITE ? (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
662                   : (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
663
664     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
665     // SpaceMask. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
666     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
667     Bitboard safe =   SpaceMask
668                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
669                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
670                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
671
672     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
673     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
674     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
675     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
676
677     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board...
678     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
679
680     // ...count safe + (behind & safe) with a single popcount
681     int bonus = popcount<Full>((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
682     int weight =  pos.count<KNIGHT>(Us) + pos.count<BISHOP>(Us)
683                 + pos.count<KNIGHT>(Them) + pos.count<BISHOP>(Them);
684
685     return make_score(bonus * weight * weight, 0);
686   }
687
688
689   // evaluate_initiative() computes the initiative correction value for the
690   // position, i.e., second order bonus/malus based on the known attacking/defending
691   // status of the players.
692   Score evaluate_initiative(const Position& pos, int asymmetry, Value eg) {
693
694     int kingDistance = distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
695     int pawns = pos.count<PAWN>(WHITE) + pos.count<PAWN>(BLACK);
696
697     // Compute the initiative bonus for the attacking side
698     int initiative = 8 * (pawns + asymmetry + kingDistance - 15);
699
700     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
701     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
702     // that the endgame score will never be divided by more than two.
703     int value = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(initiative, -abs(eg / 2));
704
705     return make_score(0, value);
706   }
707
708
709   // evaluate_scale_factor() computes the scale factor for the winning side
710   ScaleFactor evaluate_scale_factor(const Position& pos, const EvalInfo& ei, Score score) {
711
712     Color strongSide = eg_value(score) > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
713     ScaleFactor sf = ei.me->scale_factor(pos, strongSide);
714
715     // If we don't already have an unusual scale factor, check for certain
716     // types of endgames, and use a lower scale for those.
717     if (    ei.me->game_phase() < PHASE_MIDGAME
718         && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
719     {
720         if (pos.opposite_bishops())
721         {
722             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces (ignoring pawns)
723             // is almost a draw, in case of KBP vs KB, it is even more a draw.
724             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
725                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
726                 sf = more_than_one(pos.pieces(PAWN)) ? ScaleFactor(31) : ScaleFactor(9);
727
728             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
729             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
730             else
731                 sf = ScaleFactor(46 * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL);
732         }
733         // Endings where weaker side can place his king in front of the opponent's
734         // pawns are drawish.
735         else if (    abs(eg_value(score)) <= BishopValueEg
736                  &&  ei.pi->pawn_span(strongSide) <= 1
737                  && !pos.pawn_passed(~strongSide, pos.square<KING>(~strongSide)))
738             sf = ei.pi->pawn_span(strongSide) ? ScaleFactor(51) : ScaleFactor(37);
739     }
740
741     return sf;
742   }
743
744 } // namespace
745
746
747 /// evaluate() is the main evaluation function. It returns a static evaluation
748 /// of the position from the point of view of the side to move.
749
750 template<bool DoTrace>
751 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
752
753   assert(!pos.checkers());
754
755   EvalInfo ei;
756   Score score, mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
757
758   // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
759   // the position object (material + piece square tables). Score is computed
760   // internally from the white point of view.
761   score = pos.psq_score();
762
763   // Probe the material hash table
764   ei.me = Material::probe(pos);
765   score += ei.me->imbalance();
766
767   // If we have a specialized evaluation function for the current material
768   // configuration, call it and return.
769   if (ei.me->specialized_eval_exists())
770       return ei.me->evaluate(pos);
771
772   // Probe the pawn hash table
773   ei.pi = Pawns::probe(pos);
774   score += ei.pi->pawns_score() * Weights[PawnStructure];
775
776   // Initialize attack and king safety bitboards
777   ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] = 0;
778   eval_init<WHITE>(pos, ei);
779   eval_init<BLACK>(pos, ei);
780
781   // Pawns blocked or on ranks 2 and 3 will be excluded from the mobility area
782   Bitboard blockedPawns[] = {
783     pos.pieces(WHITE, PAWN) & (shift_bb<DELTA_S>(pos.pieces()) | Rank2BB | Rank3BB),
784     pos.pieces(BLACK, PAWN) & (shift_bb<DELTA_N>(pos.pieces()) | Rank7BB | Rank6BB)
785   };
786
787   // Do not include in mobility area squares protected by enemy pawns, or occupied
788   // by our blocked pawns or king.
789   Bitboard mobilityArea[] = {
790     ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | blockedPawns[WHITE] | pos.square<KING>(WHITE)),
791     ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | blockedPawns[BLACK] | pos.square<KING>(BLACK))
792   };
793
794   // Evaluate all pieces but king and pawns
795   score += evaluate_pieces<DoTrace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
796   score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
797
798   // Evaluate kings after all other pieces because we need full attack
799   // information when computing the king safety evaluation.
800   score +=  evaluate_king<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
801           - evaluate_king<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
802
803   // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
804   score +=  evaluate_threats<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
805           - evaluate_threats<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
806
807   // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
808   score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
809           - evaluate_passed_pawns<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
810
811   // If both sides have only pawns, score for potential unstoppable pawns
812   if (!pos.non_pawn_material(WHITE) && !pos.non_pawn_material(BLACK))
813   {
814       Bitboard b;
815       if ((b = ei.pi->passed_pawns(WHITE)) != 0)
816           score += Unstoppable * int(relative_rank(WHITE, frontmost_sq(WHITE, b)));
817
818       if ((b = ei.pi->passed_pawns(BLACK)) != 0)
819           score -= Unstoppable * int(relative_rank(BLACK, frontmost_sq(BLACK, b)));
820   }
821
822   // Evaluate space for both sides, only during opening
823   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >= 12222)
824       score += (  evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
825                 - evaluate_space<BLACK>(pos, ei)) * Weights[Space];
826
827   // Evaluate position potential for the winning side
828   score += evaluate_initiative(pos, ei.pi->pawn_asymmetry(), eg_value(score));
829
830   // Evaluate scale factor for the winning side
831   ScaleFactor sf = evaluate_scale_factor(pos, ei, score);
832
833   // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
834   Value v =  mg_value(score) * int(ei.me->game_phase())
835            + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - ei.me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
836
837   v /= int(PHASE_MIDGAME);
838
839   // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
840   if (DoTrace)
841   {
842       Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
843       Trace::add(IMBALANCE, ei.me->imbalance());
844       Trace::add(PAWN, ei.pi->pawns_score() * Weights[PawnStructure]);
845       Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
846       Trace::add(SPACE, evaluate_space<WHITE>(pos, ei) * Weights[Space]
847                       , evaluate_space<BLACK>(pos, ei) * Weights[Space]);
848       Trace::add(TOTAL, score);
849   }
850
851   return (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Eval::Tempo; // Side to move point of view
852 }
853
854 // Explicit template instantiations
855 template Value Eval::evaluate<true >(const Position&);
856 template Value Eval::evaluate<false>(const Position&);
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   Value v = evaluate<true>(pos);
868   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
869
870   std::stringstream ss;
871   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
872      << "      Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
873      << "                |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
874      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
875      << "       Material | " << Term(MATERIAL)
876      << "      Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
877      << "          Pawns | " << Term(PAWN)
878      << "        Knights | " << Term(KNIGHT)
879      << "         Bishop | " << Term(BISHOP)
880      << "          Rooks | " << Term(ROOK)
881      << "         Queens | " << Term(QUEEN)
882      << "       Mobility | " << Term(MOBILITY)
883      << "    King safety | " << Term(KING)
884      << "        Threats | " << Term(THREAT)
885      << "   Passed pawns | " << Term(PASSED)
886      << "          Space | " << Term(SPACE)
887      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
888      << "          Total | " << Term(TOTAL);
889
890   ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
891
892   return ss.str();
893 }
894
895
896 /// init() computes evaluation weights, usually at startup
897
898 void Eval::init() {
899
900   const int MaxSlope = 8700;
901   const int Peak = 1280000;
902   int t = 0;
903
904   for (int i = 0; i < 400; ++i)
905   {
906       t = std::min(Peak, std::min(i * i * 27, t + MaxSlope));
907       KingDanger[i] = make_score(t / 1000, 0) * Weights[KingSafety];
908   }
909 }