Merge remote-tracking branch 'upstream/master' into HEAD
[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) 2015-2020 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, WINNABLE, 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 == WINNABLE || 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 LazyThreshold1  = Value(1400);
78   constexpr Value LazyThreshold2  = Value(1300);
79   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
80
81   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
82   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 81, 52, 44, 10 };
83
84   // SafeCheck[PieceType][single/multiple] contains safe check bonus by piece type,
85   // higher if multiple safe checks are possible for that piece type.
86   constexpr int SafeCheck[][2] = {
87       {}, {}, {792, 1283}, {645, 967}, {1084, 1897}, {772, 1119}
88   };
89
90 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
91
92   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
93   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
94   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
95     { S(-62,-81), S(-53,-56), S(-12,-31), S( -4,-16), S(  3,  5), S( 13, 11), // Knight
96       S( 22, 17), S( 28, 20), S( 33, 25) },
97     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishop
98       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
99       S( 91, 88), S( 98, 97) },
100     { S(-60,-78), S(-20,-17), S(  2, 23), S(  3, 39), S(  3, 70), S( 11, 99), // Rook
101       S( 22,103), S( 31,121), S( 40,134), S( 40,139), S( 41,158), S( 48,164),
102       S( 57,168), S( 57,169), S( 62,172) },
103     { S(-30,-48), S(-12,-30), S( -8, -7), S( -9, 19), S( 20, 40), S( 23, 55), // Queen
104       S( 23, 59), S( 35, 75), S( 38, 78), S( 53, 96), S( 64, 96), S( 65,100),
105       S( 65,121), S( 66,127), S( 67,131), S( 67,133), S( 72,136), S( 72,141),
106       S( 77,147), S( 79,150), S( 93,151), S(108,168), S(108,168), S(108,171),
107       S(110,182), S(114,182), S(114,192), S(116,219) }
108   };
109
110   // KingProtector[knight/bishop] contains penalty for each distance unit to own king
111   constexpr Score KingProtector[] = { S(8, 9), S(6, 9) };
112
113   // Outpost[knight/bishop] contains bonuses for each knight or bishop occupying a
114   // pawn protected square on rank 4 to 6 which is also safe from a pawn attack.
115   constexpr Score Outpost[] = { S(56, 36), S(30, 23) };
116
117   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
118   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
119     S(0, 0), S(10, 28), S(17, 33), S(15, 41), S(62, 72), S(168, 177), S(276, 260)
120   };
121
122   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
123   // no (friendly) pawn on the rook file.
124   constexpr Score RookOnFile[] = { S(19, 7), S(48, 29) };
125
126   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
127   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
128   // pawn-defended are not considered.
129   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
130     S(0, 0), S(5, 32), S(57, 41), S(77, 56), S(88, 119), S(79, 161)
131   };
132
133   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
134     S(0, 0), S(3, 46), S(37, 68), S(42, 60), S(0, 38), S(58, 41)
135   };
136
137   // Assorted bonuses and penalties
138   constexpr Score BadOutpost          = S( -7, 36);
139   constexpr Score BishopOnKingRing    = S( 24,  0);
140   constexpr Score BishopPawns         = S(  3,  7);
141   constexpr Score BishopXRayPawns     = S(  4,  5);
142   constexpr Score CorneredBishop      = S( 50, 50);
143   constexpr Score FlankAttacks        = S(  8,  0);
144   constexpr Score Hanging             = S( 69, 36);
145   constexpr Score KnightOnQueen       = S( 16, 11);
146   constexpr Score LongDiagonalBishop  = S( 45,  0);
147   constexpr Score MinorBehindPawn     = S( 18,  3);
148   constexpr Score PassedFile          = S( 11,  8);
149   constexpr Score PawnlessFlank       = S( 17, 95);
150   constexpr Score QueenInfiltration   = S( -2, 14);
151   constexpr Score ReachableOutpost    = S( 31, 22);
152   constexpr Score RestrictedPiece     = S(  7,  7);
153   constexpr Score RookOnKingRing      = S( 16,  0);
154   constexpr Score RookOnQueenFile     = S(  6, 11);
155   constexpr Score SliderOnQueen       = S( 60, 18);
156   constexpr Score ThreatByKing        = S( 24, 89);
157   constexpr Score ThreatByPawnPush    = S( 48, 39);
158   constexpr Score ThreatBySafePawn    = S(173, 94);
159   constexpr Score TrappedRook         = S( 55, 13);
160   constexpr Score WeakQueenProtection = S( 14,  0);
161   constexpr Score WeakQueen           = S( 56, 15);
162
163
164 #undef S
165
166   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
167   template<Tracing T>
168   class Evaluation {
169
170   public:
171     Evaluation() = delete;
172     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
173     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
174     Value value();
175
176   private:
177     template<Color Us> void initialize();
178     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
179     template<Color Us> Score king() const;
180     template<Color Us> Score threats() const;
181     template<Color Us> Score passed() const;
182     template<Color Us> Score space() const;
183     Value winnable(Score score) const;
184
185     const Position& pos;
186     Material::Entry* me;
187     Pawns::Entry* pe;
188     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
189     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
190
191     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
192     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
193     // is also calculated is ALL_PIECES.
194     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
195
196     // attackedBy2[color] are the squares attacked by at least 2 units of a given
197     // color, including x-rays. But diagonal x-rays through pawns are not computed.
198     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
199
200     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king plus some other
201     // very near squares, depending on king position.
202     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
203
204     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
205     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
206     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
207
208     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
209     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
210     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
211     // the KingAttackWeights array.
212     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
213
214     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
215     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
216     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
217     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
218     // to kingAttacksCount[WHITE].
219     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
220   };
221
222
223   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
224   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
225
226   template<Tracing T> template<Color Us>
227   void Evaluation<T>::initialize() {
228
229     constexpr Color     Them = ~Us;
230     constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
231     constexpr Direction Down = -Up;
232     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB : Rank7BB | Rank6BB);
233
234     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
235
236     Bitboard dblAttackByPawn = pawn_double_attacks_bb<Us>(pos.pieces(Us, PAWN));
237
238     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
239     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
240
241     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen, by blockers to attacks on our king
242     // or controlled by enemy pawns are excluded from the mobility area.
243     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pos.blockers_for_king(Us) | pe->pawn_attacks(Them));
244
245     // Initialize attackedBy[] for king and pawns
246     attackedBy[Us][KING] = attacks_bb<KING>(ksq);
247     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
248     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
249     attackedBy2[Us] = dblAttackByPawn | (attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN]);
250
251     // Init our king safety tables
252     Square s = make_square(Utility::clamp(file_of(ksq), FILE_B, FILE_G),
253                            Utility::clamp(rank_of(ksq), RANK_2, RANK_7));
254     kingRing[Us] = attacks_bb<KING>(s) | s;
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] &= ~dblAttackByPawn;
261   }
262
263
264   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
265
266   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
267   Score Evaluation<T>::pieces() {
268
269     constexpr Color     Them = ~Us;
270     constexpr Direction Down = -pawn_push(Us);
271     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
272                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
273     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
274
275     Bitboard b, bb;
276     Score score = SCORE_ZERO;
277
278     attackedBy[Us][Pt] = 0;
279
280     for (Square s = *pl; s != SQ_NONE; s = *++pl)
281     {
282         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
283         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
284           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
285                          : attacks_bb<Pt>(s, pos.pieces());
286
287         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
288             b &= line_bb(pos.square<KING>(Us), s);
289
290         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
291         attackedBy[Us][Pt] |= b;
292         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
293
294         if (b & kingRing[Them])
295         {
296             kingAttackersCount[Us]++;
297             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
298             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
299         }
300
301         else if (Pt == ROOK && (file_bb(s) & kingRing[Them]))
302             score += RookOnKingRing;
303
304         else if (Pt == BISHOP && (attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & kingRing[Them]))
305             score += BishopOnKingRing;
306
307         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
308
309         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
310
311         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
312         {
313             // Bonus if the piece is on an outpost square or can reach one
314             // Reduced bonus for knights (BadOutpost) if few relevant targets
315             bb = OutpostRanks & attackedBy[Us][PAWN] & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
316             Bitboard targets = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
317
318             if (   Pt == KNIGHT
319                 && bb & s & ~CenterFiles // on a side outpost
320                 && !(b & targets)        // no relevant attacks
321                 && (!more_than_one(targets & (s & QueenSide ? QueenSide : KingSide))))
322                 score += BadOutpost;
323             else if (bb & s)
324                 score += Outpost[Pt == BISHOP];
325             else if (Pt == KNIGHT && bb & b & ~pos.pieces(Us))
326                 score += ReachableOutpost;
327
328             // Bonus for a knight or bishop shielded by pawn
329             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
330                 score += MinorBehindPawn;
331
332             // Penalty if the piece is far from the king
333             score -= KingProtector[Pt == BISHOP] * distance(pos.square<KING>(Us), s);
334
335             if (Pt == BISHOP)
336             {
337                 // Penalty according to the number of our pawns on the same color square as the
338                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns and smaller
339                 // when the bishop is outside the pawn chain.
340                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
341
342                 score -= BishopPawns * pos.pawns_on_same_color_squares(Us, s)
343                                      * (!(attackedBy[Us][PAWN] & s) + popcount(blocked & CenterFiles));
344
345                 // Penalty for all enemy pawns x-rayed
346                 score -= BishopXRayPawns * popcount(attacks_bb<BISHOP>(s) & pos.pieces(Them, PAWN));
347
348                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
349                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
350                     score += LongDiagonalBishop;
351
352                 // An important Chess960 pattern: a cornered bishop blocked by a friendly
353                 // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
354                 // when that pawn is also blocked.
355                 if (   pos.is_chess960()
356                     && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
357                 {
358                     Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
359                     if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
360                         score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
361                                 : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
362                                                                                   : CorneredBishop;
363                 }
364             }
365         }
366
367         if (Pt == ROOK)
368         {
369             // Bonus for rook on the same file as a queen
370             if (file_bb(s) & pos.pieces(QUEEN))
371                 score += RookOnQueenFile;
372
373             // Bonus for rook on an open or semi-open file
374             if (pos.is_on_semiopen_file(Us, s))
375                 score += RookOnFile[pos.is_on_semiopen_file(Them, s)];
376
377             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
378             else if (mob <= 3)
379             {
380                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
381                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
382                     score -= TrappedRook * (1 + !pos.castling_rights(Us));
383             }
384         }
385
386         if (Pt == QUEEN)
387         {
388             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
389             Bitboard queenPinners;
390             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
391                 score -= WeakQueen;
392
393             // Bonus for queen on weak square in enemy camp
394             if (relative_rank(Us, s) > RANK_4 && (~pe->pawn_attacks_span(Them) & s))
395                 score += QueenInfiltration;
396         }
397     }
398     if (T)
399         Trace::add(Pt, Us, score);
400
401     return score;
402   }
403
404
405   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
406
407   template<Tracing T> template<Color Us>
408   Score Evaluation<T>::king() const {
409
410     constexpr Color    Them = ~Us;
411     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
412                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
413
414     Bitboard weak, b1, b2, b3, safe, unsafeChecks = 0;
415     Bitboard rookChecks, queenChecks, bishopChecks, knightChecks;
416     int kingDanger = 0;
417     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
418
419     // Init the score with king shelter and enemy pawns storm
420     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
421
422     // Attacked squares defended at most once by our queen or king
423     weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
424           & ~attackedBy2[Us]
425           & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
426
427     // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
428     safe  = ~pos.pieces(Them);
429     safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
430
431     b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
432     b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
433
434     // Enemy rooks checks
435     rookChecks = b1 & attackedBy[Them][ROOK] & safe;
436     if (rookChecks)
437         kingDanger += SafeCheck[ROOK][more_than_one(rookChecks)];
438     else
439         unsafeChecks |= b1 & attackedBy[Them][ROOK];
440
441     // Enemy queen safe checks: count them only if the checks are from squares from
442     // which opponent cannot give a rook check, because rook checks are more valuable.
443     queenChecks =  (b1 | b2) & attackedBy[Them][QUEEN] & safe
444                  & ~(attackedBy[Us][QUEEN] | rookChecks);
445     if (queenChecks)
446         kingDanger += SafeCheck[QUEEN][more_than_one(queenChecks)];
447
448     // Enemy bishops checks: count them only if they are from squares from which
449     // opponent cannot give a queen check, because queen checks are more valuable.
450     bishopChecks =  b2 & attackedBy[Them][BISHOP] & safe
451                   & ~queenChecks;
452     if (bishopChecks)
453         kingDanger += SafeCheck[BISHOP][more_than_one(bishopChecks)];
454
455     else
456         unsafeChecks |= b2 & attackedBy[Them][BISHOP];
457
458     // Enemy knights checks
459     knightChecks = attacks_bb<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
460     if (knightChecks & safe)
461         kingDanger += SafeCheck[KNIGHT][more_than_one(knightChecks & safe)];
462     else
463         unsafeChecks |= knightChecks;
464
465     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, the squares
466     // which they attack twice in that flank, and the squares that we defend.
467     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
468     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
469     b3 = attackedBy[Us][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
470
471     int kingFlankAttack  = popcount(b1) + popcount(b2);
472     int kingFlankDefense = popcount(b3);
473
474     kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
475                  + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
476                  + 148 * popcount(unsafeChecks)
477                  +  98 * popcount(pos.blockers_for_king(Us))
478                  +  69 * kingAttacksCount[Them]
479                  +   3 * kingFlankAttack * kingFlankAttack / 8
480                  +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
481                  - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
482                  - 100 * bool(attackedBy[Us][KNIGHT] & attackedBy[Us][KING])
483                  -   6 * mg_value(score) / 8
484                  -   4 * kingFlankDefense
485                  +  37;
486
487     // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
488     if (kingDanger > 100)
489         score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
490
491     // Penalty when our king is on a pawnless flank
492     if (!(pos.pieces(PAWN) & KingFlank[file_of(ksq)]))
493         score -= PawnlessFlank;
494
495     // Penalty if king flank is under attack, potentially moving toward the king
496     score -= FlankAttacks * kingFlankAttack;
497
498     if (T)
499         Trace::add(KING, Us, score);
500
501     return score;
502   }
503
504
505   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
506   // attacking and the attacked pieces.
507
508   template<Tracing T> template<Color Us>
509   Score Evaluation<T>::threats() const {
510
511     constexpr Color     Them     = ~Us;
512     constexpr Direction Up       = pawn_push(Us);
513     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
514
515     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
516     Score score = SCORE_ZERO;
517
518     // Non-pawn enemies
519     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
520
521     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
522     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
523     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
524                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
525
526     // Non-pawn enemies, strongly protected
527     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
528
529     // Enemies not strongly protected and under our attack
530     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
531
532     // Bonus according to the kind of attacking pieces
533     if (defended | weak)
534     {
535         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
536         while (b)
537             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
538
539         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
540         while (b)
541             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
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         // Additional bonus if weak piece is only protected by a queen
551         score += WeakQueenProtection * popcount(weak & attackedBy[Them][QUEEN]);
552     }
553
554     // Bonus for restricting their piece moves
555     b =   attackedBy[Them][ALL_PIECES]
556        & ~stronglyProtected
557        &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
558     score += RestrictedPiece * popcount(b);
559
560     // Protected or unattacked squares
561     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
562
563     // Bonus for attacking enemy pieces with our relatively safe pawns
564     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
565     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
566     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
567
568     // Find squares where our pawns can push on the next move
569     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
570     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
571
572     // Keep only the squares which are relatively safe
573     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
574
575     // Bonus for safe pawn threats on the next move
576     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
577     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
578
579     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
580     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
581     {
582         bool queenImbalance = pos.count<QUEEN>() == 1;
583
584         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
585         safe =   mobilityArea[Us]
586               & ~pos.pieces(Us, PAWN)
587               & ~stronglyProtected;
588
589         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & attacks_bb<KNIGHT>(s);
590
591         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe) * (1 + queenImbalance);
592
593         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces()))
594            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & attacks_bb<ROOK  >(s, pos.pieces()));
595
596         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]) * (1 + queenImbalance);
597     }
598
599     if (T)
600         Trace::add(THREAT, Us, score);
601
602     return score;
603   }
604
605   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
606   // pawns of the given color.
607
608   template<Tracing T> template<Color Us>
609   Score Evaluation<T>::passed() const {
610
611     constexpr Color     Them = ~Us;
612     constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
613     constexpr Direction Down = -Up;
614
615     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
616       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
617     };
618
619     Bitboard b, bb, squaresToQueen, unsafeSquares, blockedPassers, helpers;
620     Score score = SCORE_ZERO;
621
622     b = pe->passed_pawns(Us);
623
624     blockedPassers = b & shift<Down>(pos.pieces(Them, PAWN));
625     if (blockedPassers)
626     {
627         helpers =  shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN))
628                  & ~pos.pieces(Them)
629                  & (~attackedBy2[Them] | attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
630
631         // Remove blocked candidate passers that don't have help to pass
632         b &=  ~blockedPassers
633             | shift<WEST>(helpers)
634             | shift<EAST>(helpers);
635     }
636
637     while (b)
638     {
639         Square s = pop_lsb(&b);
640
641         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
642
643         int r = relative_rank(Us, s);
644
645         Score bonus = PassedRank[r];
646
647         if (r > RANK_3)
648         {
649             int w = 5 * r - 13;
650             Square blockSq = s + Up;
651
652             // Adjust bonus based on the king's proximity
653             bonus += make_score(0, (  (king_proximity(Them, blockSq) * 19) / 4
654                                      - king_proximity(Us,   blockSq) *  2) * w);
655
656             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
657             if (r != RANK_7)
658                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
659
660             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
661             if (pos.empty(blockSq))
662             {
663                 squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
664                 unsafeSquares = passed_pawn_span(Us, s);
665
666                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN);
667
668                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
669                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES];
670
671                 // If there are no enemy attacks on passed pawn span, assign a big bonus.
672                 // Otherwise assign a smaller bonus if the path to queen is not attacked
673                 // and even smaller bonus if it is attacked but block square is not.
674                 int k = !unsafeSquares                    ? 35 :
675                         !(unsafeSquares & squaresToQueen) ? 20 :
676                         !(unsafeSquares & blockSq)        ?  9 :
677                                                              0 ;
678
679                 // Assign a larger bonus if the block square is defended
680                 if ((pos.pieces(Us) & bb) || (attackedBy[Us][ALL_PIECES] & blockSq))
681                     k += 5;
682
683                 bonus += make_score(k * w, k * w);
684             }
685         } // r > RANK_3
686
687         score += bonus - PassedFile * edge_distance(file_of(s));
688     }
689
690     if (T)
691         Trace::add(PASSED, Us, score);
692
693     return score;
694   }
695
696
697   // Evaluation::space() computes a space evaluation for a given side, aiming to improve game
698   // play in the opening. It is based on the number of safe squares on the 4 central files
699   // on ranks 2 to 4. Completely safe squares behind a friendly pawn are counted twice.
700   // Finally, the space bonus is multiplied by a weight which decreases according to occupancy.
701
702   template<Tracing T> template<Color Us>
703   Score Evaluation<T>::space() const {
704
705     // Early exit if, for example, both queens or 6 minor pieces have been exchanged
706     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
707         return SCORE_ZERO;
708
709     constexpr Color Them     = ~Us;
710     constexpr Direction Down = -pawn_push(Us);
711     constexpr Bitboard SpaceMask =
712       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
713                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
714
715     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
716     Bitboard safe =   SpaceMask
717                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
718                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
719
720     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
721     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
722     behind |= shift<Down>(behind);
723     behind |= shift<Down+Down>(behind);
724
725     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
726     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 3 + std::min(pe->blocked_count(), 9);
727     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
728
729     if (T)
730         Trace::add(SPACE, Us, score);
731
732     return score;
733   }
734
735
736   // Evaluation::winnable() adjusts the midgame and endgame score components, based on
737   // the known attacking/defending status of the players. The final value is derived
738   // by interpolation from the midgame and endgame values.
739
740   template<Tracing T>
741   Value Evaluation<T>::winnable(Score score) const {
742
743     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
744                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
745
746     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
747                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
748
749     bool almostUnwinnable =   outflanking < 0
750                            && !pawnsOnBothFlanks;
751
752     bool infiltration =   rank_of(pos.square<KING>(WHITE)) > RANK_4
753                        || rank_of(pos.square<KING>(BLACK)) < RANK_5;
754
755     // Compute the initiative bonus for the attacking side
756     int complexity =   9 * pe->passed_count()
757                     + 12 * pos.count<PAWN>()
758                     +  9 * outflanking
759                     + 21 * pawnsOnBothFlanks
760                     + 24 * infiltration
761                     + 51 * !pos.non_pawn_material()
762                     - 43 * almostUnwinnable
763                     -110 ;
764
765     Value mg = mg_value(score);
766     Value eg = eg_value(score);
767
768     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting the
769     // sign of the midgame or endgame values, and that we carefully cap the bonus
770     // so that the midgame and endgame scores do not change sign after the bonus.
771     int u = ((mg > 0) - (mg < 0)) * Utility::clamp(complexity + 50, -abs(mg), 0);
772     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
773
774     mg += u;
775     eg += v;
776
777     // Compute the scale factor for the winning side
778     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
779     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
780
781     // If scale factor is not already specific, scale down via general heuristics
782     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
783     {
784         if (pos.opposite_bishops())
785         {
786             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
787                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
788                 sf = 18 + 4 * popcount(pe->passed_pawns(strongSide));
789             else
790                 sf = 22 + 3 * pos.count<ALL_PIECES>(strongSide);
791         }
792         else if (  pos.non_pawn_material(WHITE) == RookValueMg
793                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == RookValueMg
794                 && pos.count<PAWN>(strongSide) - pos.count<PAWN>(~strongSide) <= 1
795                 && bool(KingSide & pos.pieces(strongSide, PAWN)) != bool(QueenSide & pos.pieces(strongSide, PAWN))
796                 && (attacks_bb<KING>(pos.square<KING>(~strongSide)) & pos.pieces(~strongSide, PAWN)))
797             sf = 36;
798         else if (pos.count<QUEEN>() == 1)
799             sf = 37 + 3 * (pos.count<QUEEN>(WHITE) == 1 ? pos.count<BISHOP>(BLACK) + pos.count<KNIGHT>(BLACK)
800                                                         : pos.count<BISHOP>(WHITE) + pos.count<KNIGHT>(WHITE));
801         else
802             sf = std::min(sf, 36 + 7 * pos.count<PAWN>(strongSide));
803     }
804
805     // Interpolate between the middlegame and (scaled by 'sf') endgame score
806     v =  mg * int(me->game_phase())
807        + eg * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * ScaleFactor(sf) / SCALE_FACTOR_NORMAL;
808     v /= PHASE_MIDGAME;
809
810     if (T)
811     {
812         Trace::add(WINNABLE, make_score(u, eg * ScaleFactor(sf) / SCALE_FACTOR_NORMAL - eg_value(score)));
813         Trace::add(TOTAL, make_score(mg, eg * ScaleFactor(sf) / SCALE_FACTOR_NORMAL));
814     }
815
816     return Value(v);
817   }
818
819
820   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
821   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
822   // of view of the side to move.
823
824   template<Tracing T>
825   Value Evaluation<T>::value() {
826
827     assert(!pos.checkers());
828
829     // Probe the material hash table
830     me = Material::probe(pos);
831
832     // If we have a specialized evaluation function for the current material
833     // configuration, call it and return.
834     if (me->specialized_eval_exists())
835         return me->evaluate(pos);
836
837     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
838     // the position object (material + piece square tables) and the material
839     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
840     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
841
842     // Probe the pawn hash table
843     pe = Pawns::probe(pos);
844     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
845
846     // Early exit if score is high
847     auto lazy_skip = [&](Value lazyThreshold) {
848         return abs(mg_value(score) + eg_value(score)) / 2 > lazyThreshold + pos.non_pawn_material() / 64;
849     };
850
851     if (lazy_skip(LazyThreshold1))
852         goto make_v;
853
854     // Main evaluation begins here
855     initialize<WHITE>();
856     initialize<BLACK>();
857
858     // Pieces evaluated first (also populates attackedBy, attackedBy2).
859     // Note that the order of evaluation of the terms is left unspecified.
860     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
861             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
862             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
863             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
864
865     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
866
867     // More complex interactions that require fully populated attack bitboards
868     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
869             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>();
870
871     if (lazy_skip(LazyThreshold2))
872         goto make_v;
873
874     score +=  threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
875             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
876
877 make_v:
878     // Derive single value from mg and eg parts of score
879     Value v = winnable(score);
880
881     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
882     if (T)
883     {
884         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
885         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
886         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
887         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
888     }
889
890     // Evaluation grain
891     v = (v / 16) * 16;
892
893     // Side to move point of view
894     v = (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Tempo;
895
896     // Damp down the evaluation linearly when shuffling
897     v = v * (100 - pos.rule50_count()) / 100;
898
899     return v;
900   }
901
902 } // namespace
903
904
905 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
906 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
907
908 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
909   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
910 }
911
912
913 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
914 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
915 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
916
917 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
918
919   if (pos.checkers())
920       return "Total evaluation: none (in check)";
921
922   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
923
924   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
925
926   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
927
928   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
929
930   std::stringstream ss;
931   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
932      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
933      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
934      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
935      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
936      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
937      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
938      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
939      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
940      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
941      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
942      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
943      << " King safety | " << Term(KING)
944      << "     Threats | " << Term(THREAT)
945      << "      Passed | " << Term(PASSED)
946      << "       Space | " << Term(SPACE)
947      << "    Winnable | " << Term(WINNABLE)
948      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
949      << "       Total | " << Term(TOTAL);
950
951   ss << "\nFinal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
952
953   return ss.str();
954 }