More safe checks
[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   // Threat[by minor/by rook][attacked PieceType] contains
162   // bonuses according to which piece type attacks which one.
163   // Attacks on lesser pieces which are pawn-defended are not considered.
164   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
165     { S(0, 0), S(0, 33), S(45, 43), S(46, 47), S(72,107), S(48,118) }, // by Minor
166     { S(0, 0), S(0, 25), S(40, 62), S(40, 59), S( 0, 34), S(35, 48) }  // by Rook
167   };
168
169   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for King attacks on
170   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
171   const Score ThreatByKing[2] = { S(3, 62), S(9, 138) };
172
173   // Passed[mg/eg][Rank] contains midgame and endgame bonuses for passed pawns.
174   // We don't use a Score because we process the two components independently.
175   const Value Passed[][RANK_NB] = {
176     { V(5), V( 5), V(31), V(73), V(166), V(252) },
177     { V(7), V(14), V(38), V(73), V(166), V(252) }
178   };
179
180   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
181   const Score PassedFile[FILE_NB] = {
182     S(  9, 10), S( 2, 10), S( 1, -8), S(-20,-12),
183     S(-20,-12), S( 1, -8), S( 2, 10), S( 9, 10)
184   };
185
186   // Assorted bonuses and penalties used by evaluation
187   const Score MinorBehindPawn     = S(16,  0);
188   const Score BishopPawns         = S( 8, 12);
189   const Score RookOnPawn          = S( 8, 24);
190   const Score TrappedRook         = S(92,  0);
191   const Score SafeCheck           = S(20, 20);
192   const Score OtherCheck          = S(10, 10);
193   const Score ThreatByHangingPawn = S(71, 61);
194   const Score LooseEnemies        = S( 0, 25);
195   const Score WeakQueen           = S(35,  0);
196   const Score Hanging             = S(48, 27);
197   const Score ThreatByPawnPush    = S(38, 22);
198   const Score Unstoppable         = S( 0, 20);
199
200   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
201   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
202   // happen in Chess960 games.
203   const Score TrappedBishopA1H1 = S(50, 50);
204
205   #undef S
206   #undef V
207
208   // King danger constants and variables. The king danger scores are looked-up
209   // in KingDanger[]. Various little "meta-bonuses" measuring the strength
210   // of the enemy attack are added up into an integer, which is used as an
211   // index to KingDanger[].
212   Score KingDanger[512];
213
214   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
215   const int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 7, 5, 4, 1 };
216
217   // Penalties for enemy's safe checks
218   const int QueenContactCheck = 89;
219   const int QueenCheck        = 62;
220   const int RookCheck         = 57;
221   const int BishopCheck       = 48;
222   const int KnightCheck       = 78;
223
224
225   // eval_init() initializes king and attack bitboards for a given color
226   // adding pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
227
228   template<Color Us>
229   void eval_init(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
230
231     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
232     const Square Down = (Us == WHITE ? DELTA_S : DELTA_N);
233
234     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
235     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING];
236     ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] |= b;
237     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
238     ei.attackedBy2[Us] = ei.attackedBy[Us][PAWN] & ei.attackedBy[Us][KING];
239
240     // Init king safety tables only if we are going to use them
241     if (pos.non_pawn_material(Us) >= QueenValueMg)
242     {
243         ei.kingRing[Them] = b | shift_bb<Down>(b);
244         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
245         ei.kingAttackersCount[Us] = popcount(b);
246         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
247     }
248     else
249         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
250   }
251
252
253   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given
254   // color and type.
255
256   template<bool DoTrace, Color Us = WHITE, PieceType Pt = KNIGHT>
257   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility,
258                         const Bitboard* mobilityArea) {
259     Bitboard b, bb;
260     Square s;
261     Score score = SCORE_ZERO;
262
263     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
264     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
265     const Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
266                                                : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
267     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
268
269     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
270
271     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
272     {
273         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
274         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
275           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
276                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
277
278         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
279             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
280
281         ei.attackedBy2[Us] |= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
282         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
283
284         if (b & ei.kingRing[Them])
285         {
286             ei.kingAttackersCount[Us]++;
287             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
288             ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount(b & ei.attackedBy[Them][KING]);
289         }
290
291         if (Pt == QUEEN)
292             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
293                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
294                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
295
296         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
297
298         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
299
300         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
301         {
302             // Bonus for outpost squares
303             bb = OutpostRanks & ~ei.pi->pawn_attacks_span(Them);
304             if (bb & s)
305                 score += Outpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & s)];
306             else
307             {
308                 bb &= b & ~pos.pieces(Us);
309                 if (bb)
310                    score += ReachableOutpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
311             }
312
313             // Bonus when behind a pawn
314             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
315                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
316                 score += MinorBehindPawn;
317
318             // Penalty for pawns on the same color square as the bishop
319             if (Pt == BISHOP)
320                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
321
322             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
323             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
324             // when that pawn is also blocked.
325             if (   Pt == BISHOP
326                 && pos.is_chess960()
327                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
328             {
329                 Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? DELTA_E : DELTA_W);
330                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
331                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
332                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
333                                                                               : TrappedBishopA1H1;
334             }
335         }
336
337         if (Pt == ROOK)
338         {
339             // Bonus for aligning with enemy pawns on the same rank/file
340             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
341                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
342
343             // Bonus when on an open or semi-open file
344             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
345                 score += RookOnFile[!!ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s))];
346
347             // Penalize when trapped by the king, even more if the king cannot castle
348             else if (mob <= 3)
349             {
350                 Square ksq = pos.square<KING>(Us);
351
352                 if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
353                     && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
354                     && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
355                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
356             }
357         }
358
359         if (Pt == QUEEN)
360         {
361             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
362             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(), pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s))
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   template<Color Us, bool DoTrace>
383   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
384
385     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
386     const Square  Up = (Us == WHITE ? DELTA_N : DELTA_S);
387
388     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe, other;
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 which are defended only by the king...
399         undefended =   ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
400                     &  ei.attackedBy[Us][KING]
401                     & ~ei.attackedBy2[Us];
402
403         // ... and those which are not defended at all in the larger king ring
404         b =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] & ~ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]
405            & ei.kingRing[Us] & ~pos.pieces(Them);
406
407         // Initialize the 'attackUnits' variable, which is used later on as an
408         // index into the KingDanger[] array. The initial value is based on the
409         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
410         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
411         // the pawn shelter (current 'score' value).
412         attackUnits =  std::min(72, ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them])
413                      +  9 * ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them]
414                      + 21 * popcount(undefended)
415                      + 12 * (popcount(b) + !!ei.pinnedPieces[Us])
416                      - 64 * !pos.count<QUEEN>(Them)
417                      - mg_value(score) / 8;
418
419         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
420         // undefended squares around the king reachable by the enemy queen...
421         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
422
423         // ...and keep squares supported by another enemy piece
424         attackUnits += QueenContactCheck * popcount(b & ei.attackedBy2[Them]);
425
426         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move...
427         safe  = ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
428
429         // ... and some other potential checks, only requiring the square to be
430         // safe from pawn-attacks, and not being occupied by a blocked pawn.
431         other = ~(   ei.attackedBy[Us][PAWN]
432                   | (pos.pieces(Them, PAWN) & shift_bb<Up>(pos.pieces(PAWN))));
433
434         b1 = pos.attacks_from<ROOK  >(ksq);
435         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq);
436
437         // Enemy queen safe checks
438         if ((b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & safe)
439             attackUnits += QueenCheck, score -= SafeCheck;
440
441         // For other pieces, also consider the square safe if attacked twice,
442         // and only defended by a queen.
443         safe |=  ei.attackedBy2[Them]
444                & ~(ei.attackedBy2[Us] | pos.pieces(Them))
445                & ei.attackedBy[Us][QUEEN];
446
447         // Enemy rooks safe and other checks
448         if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & safe)
449             attackUnits += RookCheck, score -= SafeCheck;
450
451         else if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & other)
452             score -= OtherCheck;
453
454         // Enemy bishops safe and other checks
455         if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & safe)
456             attackUnits += BishopCheck, score -= SafeCheck;
457
458         else if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & other)
459             score -= OtherCheck;
460
461         // Enemy knights safe and other checks
462         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT];
463         if (b & safe)
464             attackUnits += KnightCheck, score -= SafeCheck;
465
466         else if (b & other)
467             score -= OtherCheck;
468
469         // Finally, extract the king danger score from the KingDanger[]
470         // array and subtract the score from the evaluation.
471         score -= KingDanger[std::max(std::min(attackUnits, 399), 0)];
472     }
473
474     if (DoTrace)
475         Trace::add(KING, Us, score);
476
477     return score;
478   }
479
480
481   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the types of the attacking
482   // and the attacked pieces.
483
484   template<Color Us, bool DoTrace>
485   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
486
487     const Color Them        = (Us == WHITE ? BLACK    : WHITE);
488     const Square Up         = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
489     const Square Left       = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
490     const Square Right      = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
491     const Bitboard TRank2BB = (Us == WHITE ? Rank2BB  : Rank7BB);
492     const Bitboard TRank7BB = (Us == WHITE ? Rank7BB  : Rank2BB);
493
494     enum { Minor, Rook };
495
496     Bitboard b, weak, defended, safeThreats;
497     Score score = SCORE_ZERO;
498
499     // Small bonus if the opponent has loose pawns or pieces
500     if (   (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, QUEEN, KING))
501         & ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]))
502         score += LooseEnemies;
503
504     // Non-pawn enemies attacked by a pawn
505     weak = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Us][PAWN];
506
507     if (weak)
508     {
509         b = pos.pieces(Us, PAWN) & ( ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
510                                     | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
511
512         safeThreats = (shift_bb<Right>(b) | shift_bb<Left>(b)) & weak;
513
514         if (weak ^ safeThreats)
515             score += ThreatByHangingPawn;
516
517         while (safeThreats)
518             score += ThreatBySafePawn[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&safeThreats)))];
519     }
520
521     // Non-pawn enemies defended by a pawn
522     defended = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Them][PAWN];
523
524     // Enemies not defended by a pawn and under our attack
525     weak =   pos.pieces(Them)
526           & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
527           &  ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
528
529     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
530     if (defended | weak)
531     {
532         b = (defended | weak) & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
533         while (b)
534             score += Threat[Minor][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
535
536         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & ei.attackedBy[Us][ROOK];
537         while (b)
538             score += Threat[Rook ][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
539
540         score += Hanging * popcount(weak & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
541
542         b = weak & ei.attackedBy[Us][KING];
543         if (b)
544             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
545     }
546
547     // Bonus if some pawns can safely push and attack an enemy piece
548     b = pos.pieces(Us, PAWN) & ~TRank7BB;
549     b = shift_bb<Up>(b | (shift_bb<Up>(b & TRank2BB) & ~pos.pieces()));
550
551     b &=  ~pos.pieces()
552         & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
553         & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
554
555     b =  (shift_bb<Left>(b) | shift_bb<Right>(b))
556        &  pos.pieces(Them)
557        & ~ei.attackedBy[Us][PAWN];
558
559     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
560
561     if (DoTrace)
562         Trace::add(THREAT, Us, score);
563
564     return score;
565   }
566
567
568   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
569
570   template<Color Us, bool DoTrace>
571   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
572
573     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
574
575     Bitboard b, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
576     Score score = SCORE_ZERO;
577
578     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
579
580     while (b)
581     {
582         Square s = pop_lsb(&b);
583
584         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
585         assert(!(pos.pieces(PAWN) & forward_bb(Us, s)));
586
587         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
588         int rr = r * (r - 1);
589
590         Value mbonus = Passed[MG][r], ebonus = Passed[EG][r];
591
592         if (rr)
593         {
594             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
595
596             // Adjust bonus based on the king's proximity
597             ebonus +=  distance(pos.square<KING>(Them), blockSq) * 5 * rr
598                      - distance(pos.square<KING>(Us  ), blockSq) * 2 * rr;
599
600             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
601             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
602                 ebonus -= distance(pos.square<KING>(Us), blockSq + pawn_push(Us)) * rr;
603
604             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
605             if (pos.empty(blockSq))
606             {
607                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
608                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
609                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
610                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
611
612                 Bitboard bb = forward_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
613
614                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
615                     defendedSquares &= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
616
617                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
618                     unsafeSquares &= ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
619
620                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
621                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
622                 int k = !unsafeSquares ? 18 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 8 : 0;
623
624                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
625                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
626                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
627                     k += 6;
628
629                 else if (defendedSquares & blockSq)
630                     k += 4;
631
632                 mbonus += k * rr, ebonus += k * rr;
633             }
634             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
635                 mbonus += rr + r * 2, ebonus += rr + r * 2;
636         } // rr != 0
637
638         score += make_score(mbonus, ebonus) + PassedFile[file_of(s)];
639     }
640
641     if (DoTrace)
642         Trace::add(PASSED, Us, score);
643
644     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
645     return score;
646   }
647
648
649   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
650   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
651   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
652   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
653   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
654   // improve play on game opening.
655   template<Color Us>
656   Score evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
657
658     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
659     const Bitboard SpaceMask =
660       Us == WHITE ? (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
661                   : (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
662
663     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
664     // SpaceMask. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
665     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
666     Bitboard safe =   SpaceMask
667                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
668                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
669                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
670
671     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
672     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
673     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
674     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
675
676     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board...
677     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
678
679     // ...count safe + (behind & safe) with a single popcount
680     int bonus = popcount((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
681     int weight =  pos.count<KNIGHT>(Us) + pos.count<BISHOP>(Us)
682                 + pos.count<KNIGHT>(Them) + pos.count<BISHOP>(Them);
683
684     return make_score(bonus * weight * weight * 2 / 11, 0);
685   }
686
687
688   // evaluate_initiative() computes the initiative correction value for the
689   // position, i.e., second order bonus/malus based on the known attacking/defending
690   // status of the players.
691   Score evaluate_initiative(const Position& pos, int asymmetry, Value eg) {
692
693     int kingDistance =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
694                       - distance<Rank>(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 * (asymmetry + kingDistance - 15) + 12 * pawns;
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, Value eg) {
711
712     Color strongSide = eg > 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);
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) <= 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();
775
776   // Initialize attack and king safety bitboards
777   ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] = 0;
778   ei.attackedBy[WHITE][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(WHITE));
779   ei.attackedBy[BLACK][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(BLACK));
780   eval_init<WHITE>(pos, ei);
781   eval_init<BLACK>(pos, ei);
782
783   // Pawns blocked or on ranks 2 and 3 will be excluded from the mobility area
784   Bitboard blockedPawns[] = {
785     pos.pieces(WHITE, PAWN) & (shift_bb<DELTA_S>(pos.pieces()) | Rank2BB | Rank3BB),
786     pos.pieces(BLACK, PAWN) & (shift_bb<DELTA_N>(pos.pieces()) | Rank7BB | Rank6BB)
787   };
788
789   // Do not include in mobility area squares protected by enemy pawns, or occupied
790   // by our blocked pawns or king.
791   Bitboard mobilityArea[] = {
792     ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | blockedPawns[WHITE] | pos.square<KING>(WHITE)),
793     ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | blockedPawns[BLACK] | pos.square<KING>(BLACK))
794   };
795
796   // Evaluate all pieces but king and pawns
797   score += evaluate_pieces<DoTrace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
798   score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
799
800   // Evaluate kings after all other pieces because we need full attack
801   // information when computing the king safety evaluation.
802   score +=  evaluate_king<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
803           - evaluate_king<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
804
805   // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
806   score +=  evaluate_threats<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
807           - evaluate_threats<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
808
809   // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
810   score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
811           - evaluate_passed_pawns<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
812
813   // If both sides have only pawns, score for potential unstoppable pawns
814   if (!pos.non_pawn_material(WHITE) && !pos.non_pawn_material(BLACK))
815   {
816       Bitboard b;
817       if ((b = ei.pi->passed_pawns(WHITE)) != 0)
818           score += Unstoppable * int(relative_rank(WHITE, frontmost_sq(WHITE, b)));
819
820       if ((b = ei.pi->passed_pawns(BLACK)) != 0)
821           score -= Unstoppable * int(relative_rank(BLACK, frontmost_sq(BLACK, b)));
822   }
823
824   // Evaluate space for both sides, only during opening
825   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >= 12222)
826       score +=  evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
827               - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
828
829   // Evaluate position potential for the winning side
830   score += evaluate_initiative(pos, ei.pi->pawn_asymmetry(), eg_value(score));
831
832   // Evaluate scale factor for the winning side
833   ScaleFactor sf = evaluate_scale_factor(pos, ei, eg_value(score));
834
835   // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
836   Value v =  mg_value(score) * int(ei.me->game_phase())
837            + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - ei.me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
838
839   v /= int(PHASE_MIDGAME);
840
841   // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
842   if (DoTrace)
843   {
844       Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
845       Trace::add(IMBALANCE, ei.me->imbalance());
846       Trace::add(PAWN, ei.pi->pawns_score());
847       Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
848       Trace::add(SPACE, evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
849                       , evaluate_space<BLACK>(pos, ei));
850       Trace::add(TOTAL, score);
851   }
852
853   return (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Eval::Tempo; // Side to move point of view
854 }
855
856 // Explicit template instantiations
857 template Value Eval::evaluate<true >(const Position&);
858 template Value Eval::evaluate<false>(const Position&);
859
860
861 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
862 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
863 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
864
865 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
866
867   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
868
869   Value v = evaluate<true>(pos);
870   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
871
872   std::stringstream ss;
873   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
874      << "      Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
875      << "                |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
876      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
877      << "       Material | " << Term(MATERIAL)
878      << "      Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
879      << "          Pawns | " << Term(PAWN)
880      << "        Knights | " << Term(KNIGHT)
881      << "         Bishop | " << Term(BISHOP)
882      << "          Rooks | " << Term(ROOK)
883      << "         Queens | " << Term(QUEEN)
884      << "       Mobility | " << Term(MOBILITY)
885      << "    King safety | " << Term(KING)
886      << "        Threats | " << Term(THREAT)
887      << "   Passed pawns | " << Term(PASSED)
888      << "          Space | " << Term(SPACE)
889      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
890      << "          Total | " << Term(TOTAL);
891
892   ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
893
894   return ss.str();
895 }
896
897
898 /// init() computes evaluation weights, usually at startup
899
900 void Eval::init() {
901
902   const int MaxSlope = 322;
903   const int Peak = 47410;
904   int t = 0;
905
906   for (int i = 0; i < 400; ++i)
907   {
908       t = std::min(Peak, std::min(i * i - 16, t + MaxSlope));
909       KingDanger[i] = make_score(t * 268 / 7700, 0);
910   }
911 }