b4e86f3b1d826030f8e6a3d4a34686d680a6f339
[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) 2008-2014 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5
6   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
7   it under the terms of the GNU General Public License as published by
8   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
9   (at your option) any later version.
10
11   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
12   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
14   GNU General Public License for more details.
15
16   You should have received a copy of the GNU General Public License
17   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
18 */
19
20 #include <cassert>
21 #include <iomanip>
22 #include <sstream>
23 #include <algorithm>
24
25 #include "bitcount.h"
26 #include "evaluate.h"
27 #include "material.h"
28 #include "pawns.h"
29 #include "thread.h"
30 #include "ucioption.h"
31
32 namespace {
33
34   // Struct EvalInfo contains various information computed and collected
35   // by the evaluation functions.
36   struct EvalInfo {
37
38     // Pointers to material and pawn hash table entries
39     Material::Entry* mi;
40     Pawns::Entry* pi;
41
42     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
43     // attacked by a given color and piece type, attackedBy[color][ALL_PIECES]
44     // contains all squares attacked by the given color.
45     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
46
47     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
48     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
49     // adjacent to the king, and the three (or two, for a king on an edge file)
50     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
51     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
52     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
53     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
54
55     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
56     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
57     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
58
59     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weight" of the pieces of the
60     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
61     // weights of the individual piece types are given by the variables
62     // QueenAttackWeight, RookAttackWeight, BishopAttackWeight and
63     // KnightAttackWeight in evaluate.cpp
64     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
65
66     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks to squares
67     // directly adjacent to the king of the given color. Pieces which attack
68     // more than one square are counted multiple times. For instance, if black's
69     // king is on g8 and there's a white knight on g5, this knight adds
70     // 2 to kingAdjacentZoneAttacksCount[BLACK].
71     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
72
73     Bitboard pinnedPieces[COLOR_NB];
74   };
75
76   namespace Tracing {
77
78     enum Terms { // First 8 entries are for PieceType
79       PST = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, TOTAL, TERMS_NB
80     };
81
82     Score terms[COLOR_NB][TERMS_NB];
83     EvalInfo ei;
84     ScaleFactor sf;
85
86     double to_cp(Value v);
87     void add_term(int idx, Score term_w, Score term_b = SCORE_ZERO);
88     void format_row(std::stringstream& ss, const char* name, int idx);
89     std::string do_trace(const Position& pos);
90   }
91
92   // Evaluation weights, initialized from UCI options
93   enum { Mobility, PawnStructure, PassedPawns, Space, KingDangerUs, KingDangerThem };
94   struct Weight { int mg, eg; } Weights[6];
95
96   typedef Value V;
97   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
98
99   // Internal evaluation weights. These are applied on top of the evaluation
100   // weights read from UCI parameters. The purpose is to be able to change
101   // the evaluation weights while keeping the default values of the UCI
102   // parameters at 100, which looks prettier.
103   //
104   // Values modified by Joona Kiiski
105   const Score WeightsInternal[] = {
106     S(289, 344), S(233, 201), S(221, 273), S(46, 0), S(271, 0), S(307, 0)
107   };
108
109   // MobilityBonus[PieceType][attacked] contains bonuses for middle and end
110   // game, indexed by piece type and number of attacked squares not occupied by
111   // friendly pieces.
112   const Score MobilityBonus[][32] = {
113     {}, {},
114     { S(-35,-30), S(-22,-20), S(-9,-10), S( 3,  0), S(15, 10), S(27, 20), // Knights
115       S( 37, 28), S( 42, 31), S(44, 33) },
116     { S(-22,-27), S( -8,-13), S( 6,  1), S(20, 15), S(34, 29), S(48, 43), // Bishops
117       S( 60, 55), S( 68, 63), S(74, 68), S(77, 72), S(80, 75), S(82, 77),
118       S( 84, 79), S( 86, 81) },
119     { S(-17,-33), S(-11,-16), S(-5,  0), S( 1, 16), S( 7, 32), S(13, 48), // Rooks
120       S( 18, 64), S( 22, 80), S(26, 96), S(29,109), S(31,115), S(33,119),
121       S( 35,122), S( 36,123), S(37,124) },
122     { S(-12,-20), S( -8,-13), S(-5, -7), S(-2, -1), S( 1,  5), S( 4, 11), // Queens
123       S(  7, 17), S( 10, 23), S(13, 29), S(16, 34), S(18, 38), S(20, 40),
124       S( 22, 41), S( 23, 41), S(24, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41),
125       S( 25, 41), S( 25, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41),
126       S( 25, 41), S( 25, 41), S(25, 41), S(25, 41) }
127   };
128
129   // Outpost[PieceType][Square] contains bonuses for knights and bishops outposts,
130   // indexed by piece type and square (from white's point of view).
131   const Value Outpost[][SQUARE_NB] = {
132   {// A     B     C     D     E     F     G     H
133     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), // Knights
134     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0),
135     V(0), V(0), V(4), V(8), V(8), V(4), V(0), V(0),
136     V(0), V(4),V(17),V(26),V(26),V(17), V(4), V(0),
137     V(0), V(8),V(26),V(35),V(35),V(26), V(8), V(0),
138     V(0), V(4),V(17),V(17),V(17),V(17), V(4), V(0) },
139   {
140     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), // Bishops
141     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0),
142     V(0), V(0), V(5), V(5), V(5), V(5), V(0), V(0),
143     V(0), V(5),V(10),V(10),V(10),V(10), V(5), V(0),
144     V(0),V(10),V(21),V(21),V(21),V(21),V(10), V(0),
145     V(0), V(5), V(8), V(8), V(8), V(8), V(5), V(0) }
146   };
147
148   // Threat[attacking][attacked] contains bonuses according to which piece
149   // type attacks which one.
150   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
151     { S(0, 0), S( 7, 39), S(24, 49), S(24, 49), S(41,100), S(41,100) }, // Minor
152     { S(0, 0), S(15, 39), S(15, 45), S(15, 45), S(15, 45), S(24, 49) }  // Major
153   };
154
155   // ThreatenedByPawn[PieceType] contains a penalty according to which piece
156   // type is attacked by an enemy pawn.
157   const Score ThreatenedByPawn[] = {
158     S(0, 0), S(0, 0), S(56, 70), S(56, 70), S(76, 99), S(86, 118)
159   };
160
161   #undef S
162
163   const Score Tempo            = make_score(24, 11);
164   const Score RookOn7th        = make_score(11, 20);
165   const Score QueenOn7th       = make_score( 3,  8);
166   const Score RookOnPawn       = make_score(10, 28);
167   const Score QueenOnPawn      = make_score( 4, 20);
168   const Score RookOpenFile     = make_score(43, 21);
169   const Score RookSemiopenFile = make_score(19, 10);
170   const Score BishopPawns      = make_score( 8, 12);
171   const Score KnightPawns      = make_score( 8,  4);
172   const Score MinorBehindPawn  = make_score(16,  0);
173   const Score UndefendedMinor  = make_score(25, 10);
174   const Score TrappedRook      = make_score(90,  0);
175   const Score Unstoppable      = make_score( 0, 20);
176
177   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
178   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
179   // happen in Chess960 games.
180   const Score TrappedBishopA1H1 = make_score(50, 50);
181
182   // SpaceMask[Color] contains the area of the board which is considered
183   // by the space evaluation. In the middlegame, each side is given a bonus
184   // based on how many squares inside this area are safe and available for
185   // friendly minor pieces.
186   const Bitboard SpaceMask[] = {
187     (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB),
188     (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB)
189   };
190
191   // King danger constants and variables. The king danger scores are taken
192   // from KingDanger[]. Various little "meta-bonuses" measuring the strength
193   // of the enemy attack are added up into an integer, which is used as an
194   // index to KingDanger[].
195   //
196   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
197   const int KingAttackWeights[] = { 0, 0, 2, 2, 3, 5 };
198
199   // Bonuses for enemy's safe checks
200   const int QueenContactCheck = 24;
201   const int RookContactCheck  = 16;
202   const int QueenCheck        = 12;
203   const int RookCheck         = 8;
204   const int BishopCheck       = 2;
205   const int KnightCheck       = 3;
206
207   // KingDanger[Color][attackUnits] contains the actual king danger weighted
208   // scores, indexed by color and by a calculated integer number.
209   Score KingDanger[COLOR_NB][128];
210
211   // Function prototypes
212   template<bool Trace>
213   Value do_evaluate(const Position& pos);
214
215   template<Color Us>
216   void init_eval_info(const Position& pos, EvalInfo& ei);
217
218   template<Color Us, bool Trace>
219   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility);
220
221   template<Color Us, bool Trace>
222   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei);
223
224   template<Color Us, bool Trace>
225   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei);
226
227   template<Color Us, bool Trace>
228   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei);
229
230   template<Color Us>
231   int evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei);
232
233   Score evaluate_unstoppable_pawns(const Position& pos, Color us, const EvalInfo& ei);
234
235   Value interpolate(const Score& v, Phase ph, ScaleFactor sf);
236   Score apply_weight(Score v, const Weight& w);
237   Weight weight_option(const std::string& mgOpt, const std::string& egOpt, Score internalWeight);
238 }
239
240
241 namespace Eval {
242
243   /// evaluate() is the main evaluation function. It always computes two
244   /// values, an endgame score and a middlegame score, and interpolates
245   /// between them based on the remaining material.
246
247   Value evaluate(const Position& pos) {
248     return do_evaluate<false>(pos);
249   }
250
251
252   /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
253   /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
254   /// descriptions and values of each evaluation term. It's mainly used for
255   /// debugging.
256   std::string trace(const Position& pos) {
257     return Tracing::do_trace(pos);
258   }
259
260
261   /// init() computes evaluation weights from the corresponding UCI parameters
262   /// and setup king tables.
263
264   void init() {
265
266     Weights[Mobility]       = weight_option("Mobility (Midgame)", "Mobility (Endgame)", WeightsInternal[Mobility]);
267     Weights[PawnStructure]  = weight_option("Pawn Structure (Midgame)", "Pawn Structure (Endgame)", WeightsInternal[PawnStructure]);
268     Weights[PassedPawns]    = weight_option("Passed Pawns (Midgame)", "Passed Pawns (Endgame)", WeightsInternal[PassedPawns]);
269     Weights[Space]          = weight_option("Space", "Space", WeightsInternal[Space]);
270     Weights[KingDangerUs]   = weight_option("Cowardice", "Cowardice", WeightsInternal[KingDangerUs]);
271     Weights[KingDangerThem] = weight_option("Aggressiveness", "Aggressiveness", WeightsInternal[KingDangerThem]);
272
273     const int MaxSlope = 30;
274     const int Peak = 1280;
275
276     for (int t = 0, i = 1; i < 100; ++i)
277     {
278         t = std::min(Peak, std::min(int(0.4 * i * i), t + MaxSlope));
279
280         KingDanger[1][i] = apply_weight(make_score(t, 0), Weights[KingDangerUs]);
281         KingDanger[0][i] = apply_weight(make_score(t, 0), Weights[KingDangerThem]);
282     }
283   }
284
285 } // namespace Eval
286
287
288 namespace {
289
290 template<bool Trace>
291 Value do_evaluate(const Position& pos) {
292
293   assert(!pos.checkers());
294
295   EvalInfo ei;
296   Score score, mobility[2] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
297   Thread* thisThread = pos.this_thread();
298
299   // Initialize score by reading the incrementally updated scores included
300   // in the position object (material + piece square tables) and adding a
301   // Tempo bonus. Score is computed from the point of view of white.
302   score = pos.psq_score() + (pos.side_to_move() == WHITE ? Tempo : -Tempo);
303
304   // Probe the material hash table
305   ei.mi = Material::probe(pos, thisThread->materialTable, thisThread->endgames);
306   score += ei.mi->material_value();
307
308   // If we have a specialized evaluation function for the current material
309   // configuration, call it and return.
310   if (ei.mi->specialized_eval_exists())
311       return ei.mi->evaluate(pos);
312
313   // Probe the pawn hash table
314   ei.pi = Pawns::probe(pos, thisThread->pawnsTable);
315   score += apply_weight(ei.pi->pawns_value(), Weights[PawnStructure]);
316
317   // Initialize attack and king safety bitboards
318   init_eval_info<WHITE>(pos, ei);
319   init_eval_info<BLACK>(pos, ei);
320
321   // Evaluate pieces and mobility
322   score +=  evaluate_pieces<WHITE, Trace>(pos, ei, mobility)
323           - evaluate_pieces<BLACK, Trace>(pos, ei, mobility);
324
325   score += apply_weight(mobility[WHITE] - mobility[BLACK], Weights[Mobility]);
326
327   // Evaluate kings after all other pieces because we need complete attack
328   // information when computing the king safety evaluation.
329   score +=  evaluate_king<WHITE, Trace>(pos, ei)
330           - evaluate_king<BLACK, Trace>(pos, ei);
331
332   // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
333   score +=  evaluate_threats<WHITE, Trace>(pos, ei)
334           - evaluate_threats<BLACK, Trace>(pos, ei);
335
336   // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
337   score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, Trace>(pos, ei)
338           - evaluate_passed_pawns<BLACK, Trace>(pos, ei);
339
340   // If one side has only a king, score for potential unstoppable pawns
341   if (!pos.non_pawn_material(WHITE) || !pos.non_pawn_material(BLACK))
342       score +=  evaluate_unstoppable_pawns(pos, WHITE, ei)
343               - evaluate_unstoppable_pawns(pos, BLACK, ei);
344
345   // Evaluate space for both sides, only in middlegame
346   if (ei.mi->space_weight())
347   {
348       int s = evaluate_space<WHITE>(pos, ei) - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
349       score += apply_weight(s * ei.mi->space_weight(), Weights[Space]);
350   }
351
352   // Scale winning side if position is more drawish than it appears
353   ScaleFactor sf = eg_value(score) > VALUE_DRAW ? ei.mi->scale_factor(pos, WHITE)
354                                                 : ei.mi->scale_factor(pos, BLACK);
355
356   // If we don't already have an unusual scale factor, check for opposite
357   // colored bishop endgames, and use a lower scale for those.
358   if (    ei.mi->game_phase() < PHASE_MIDGAME
359       &&  pos.opposite_bishops()
360       && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
361   {
362       // Ignoring any pawns, do both sides only have a single bishop and no
363       // other pieces?
364       if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
365           && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
366       {
367           // Check for KBP vs KB with only a single pawn that is almost
368           // certainly a draw or at least two pawns.
369           bool one_pawn = (pos.count<PAWN>(WHITE) + pos.count<PAWN>(BLACK) == 1);
370           sf = one_pawn ? ScaleFactor(8) : ScaleFactor(32);
371       }
372       else
373           // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
374           // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
375            sf = ScaleFactor(50 * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL);
376   }
377
378   Value v = interpolate(score, ei.mi->game_phase(), sf);
379
380   // In case of tracing add all single evaluation contributions for both white and black
381   if (Trace)
382   {
383       Tracing::add_term(Tracing::PST, pos.psq_score());
384       Tracing::add_term(Tracing::IMBALANCE, ei.mi->material_value());
385       Tracing::add_term(PAWN, ei.pi->pawns_value());
386       Score w = ei.mi->space_weight() * evaluate_space<WHITE>(pos, ei);
387       Score b = ei.mi->space_weight() * evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
388       Tracing::add_term(Tracing::SPACE, apply_weight(w, Weights[Space]), apply_weight(b, Weights[Space]));
389       Tracing::add_term(Tracing::TOTAL, score);
390       Tracing::ei = ei;
391       Tracing::sf = sf;
392   }
393
394   return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
395 }
396
397
398   // init_eval_info() initializes king bitboards for given color adding
399   // pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
400
401   template<Color Us>
402   void init_eval_info(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
403
404     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
405     const Square Down = (Us == WHITE ? DELTA_S : DELTA_N);
406
407     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
408
409     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.king_square(Them));
410     ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
411
412     // Init king safety tables only if we are going to use them
413     if (pos.count<QUEEN>(Us) && pos.non_pawn_material(Us) > QueenValueMg + PawnValueMg)
414     {
415         ei.kingRing[Them] = b | shift_bb<Down>(b);
416         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
417         ei.kingAttackersCount[Us] = b ? popcount<Max15>(b) : 0;
418         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
419     }
420     else
421         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
422   }
423
424
425   // evaluate_outposts() evaluates bishop and knight outpost squares
426
427   template<PieceType Pt, Color Us>
428   Score evaluate_outposts(const Position& pos, EvalInfo& ei, Square s) {
429
430     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
431
432     assert (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT);
433
434     // Initial bonus based on square
435     Value bonus = Outpost[Pt == BISHOP][relative_square(Us, s)];
436
437     // Increase bonus if supported by pawn, especially if the opponent has
438     // no minor piece which can trade with the outpost piece.
439     if (bonus && (ei.attackedBy[Us][PAWN] & s))
440     {
441         if (   !pos.pieces(Them, KNIGHT)
442             && !(squares_of_color(s) & pos.pieces(Them, BISHOP)))
443             bonus += bonus + bonus / 2;
444         else
445             bonus += bonus / 2;
446     }
447
448     return make_score(bonus, bonus);
449   }
450
451
452   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given color
453
454   template<PieceType Pt, Color Us, bool Trace>
455   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility, Bitboard mobilityArea) {
456
457     Bitboard b;
458     Square s;
459     Score score = SCORE_ZERO;
460
461     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
462     const Square* pl = pos.list<Pt>(Us);
463
464     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
465
466     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
467     {
468         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
469         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
470           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
471                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
472
473         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
474             b &= LineBB[pos.king_square(Us)][s];
475
476         ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
477
478         if (b & ei.kingRing[Them])
479         {
480             ei.kingAttackersCount[Us]++;
481             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
482             Bitboard bb = b & ei.attackedBy[Them][KING];
483             if (bb)
484                 ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount<Max15>(bb);
485         }
486
487         int mob = Pt != QUEEN ? popcount<Max15>(b & mobilityArea)
488                               : popcount<Full >(b & mobilityArea);
489
490         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
491
492         // Decrease score if we are attacked by an enemy pawn. The remaining part
493         // of threat evaluation must be done later when we have full attack info.
494         if (ei.attackedBy[Them][PAWN] & s)
495             score -= ThreatenedByPawn[Pt];
496
497         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
498         {
499             // Penalty for bishop with same colored pawns
500             if (Pt == BISHOP)
501                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
502
503             // Penalty for knight when there are few enemy pawns
504             if (Pt == KNIGHT)
505                 score -= KnightPawns * std::max(5 - pos.count<PAWN>(Them), 0);
506
507             // Bishop and knight outposts squares
508             if (!(pos.pieces(Them, PAWN) & pawn_attack_span(Us, s)))
509                 score += evaluate_outposts<Pt, Us>(pos, ei, s);
510
511             // Bishop or knight behind a pawn
512             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
513                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
514                 score += MinorBehindPawn;
515         }
516
517         if (  (Pt == ROOK || Pt == QUEEN)
518             && relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
519         {
520             // Major piece on 7th rank and enemy king trapped on 8th
521             if (   relative_rank(Us, s) == RANK_7
522                 && relative_rank(Us, pos.king_square(Them)) == RANK_8)
523                 score += Pt == ROOK ? RookOn7th : QueenOn7th;
524
525             // Major piece attacking enemy pawns on the same rank/file
526             Bitboard pawns = pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s];
527             if (pawns)
528                 score += popcount<Max15>(pawns) * (Pt == ROOK ? RookOnPawn : QueenOnPawn);
529         }
530
531         // Special extra evaluation for rooks
532         if (Pt == ROOK)
533         {
534             // Give a bonus for a rook on a open or semi-open file
535             if (ei.pi->semiopen(Us, file_of(s)))
536                 score += ei.pi->semiopen(Them, file_of(s)) ? RookOpenFile : RookSemiopenFile;
537
538             if (mob > 3 || ei.pi->semiopen(Us, file_of(s)))
539                 continue;
540
541             Square ksq = pos.king_square(Us);
542
543             // Penalize rooks which are trapped by a king. Penalize more if the
544             // king has lost its castling capability.
545             if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
546                 && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
547                 && !ei.pi->semiopen_on_side(Us, file_of(ksq), file_of(ksq) < FILE_E))
548                 score -= (TrappedRook - make_score(mob * 8, 0)) * (pos.can_castle(Us) ? 1 : 2);
549         }
550
551         // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
552         // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
553         // when that pawn is also blocked.
554         if (   Pt == BISHOP
555             && pos.is_chess960()
556             && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
557         {
558             Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? DELTA_E : DELTA_W);
559             if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
560                 score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
561                         : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
562                                                                           : TrappedBishopA1H1;
563         }
564     }
565
566     if (Trace)
567         Tracing::terms[Us][Pt] = score;
568
569     return score;
570   }
571
572
573   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to all the
574   // pieces of a given color.
575
576   template<Color Us, bool Trace>
577   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility) {
578
579     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
580
581     // Do not include in mobility squares protected by enemy pawns or occupied by our pieces
582     const Bitboard mobilityArea = ~(ei.attackedBy[Them][PAWN] | pos.pieces(Us, PAWN, KING));
583
584     Score score =  evaluate_pieces<KNIGHT, Us, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea)
585                  + evaluate_pieces<BISHOP, Us, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea)
586                  + evaluate_pieces<ROOK,   Us, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea)
587                  + evaluate_pieces<QUEEN,  Us, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
588
589     // Sum up all attacked squares (updated in evaluate_pieces)
590     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] =  ei.attackedBy[Us][PAWN]   | ei.attackedBy[Us][KNIGHT]
591                                    | ei.attackedBy[Us][BISHOP] | ei.attackedBy[Us][ROOK]
592                                    | ei.attackedBy[Us][QUEEN]  | ei.attackedBy[Us][KING];
593     if (Trace)
594         Tracing::terms[Us][Tracing::MOBILITY] = apply_weight(mobility[Us], Weights[Mobility]);
595
596     return score;
597   }
598
599
600   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
601
602   template<Color Us, bool Trace>
603   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
604
605     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
606
607     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe;
608     int attackUnits;
609     const Square ksq = pos.king_square(Us);
610
611     // King shelter and enemy pawns storm
612     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
613
614     // Main king safety evaluation
615     if (ei.kingAttackersCount[Them])
616     {
617         // Find the attacked squares around the king which have no defenders
618         // apart from the king itself
619         undefended =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
620                     & ei.attackedBy[Us][KING]
621                     & ~(  ei.attackedBy[Us][PAWN]   | ei.attackedBy[Us][KNIGHT]
622                         | ei.attackedBy[Us][BISHOP] | ei.attackedBy[Us][ROOK]
623                         | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
624
625         // Initialize the 'attackUnits' variable, which is used later on as an
626         // index to the KingDanger[] array. The initial value is based on the
627         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
628         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
629         // the pawn shelter (current 'score' value).
630         attackUnits =  std::min(20, (ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them]) / 2)
631                      + 3 * (ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them] + popcount<Max15>(undefended))
632                      + 2 * (ei.pinnedPieces[Us] != 0)
633                      - mg_value(score) / 32;
634
635         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
636         // undefended squares around the king that are attacked by the enemy's
637         // queen...
638         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
639         if (b)
640         {
641             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
642             b &= (  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
643                   | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
644
645             if (b)
646                 attackUnits +=  QueenContactCheck
647                               * popcount<Max15>(b)
648                               * (Them == pos.side_to_move() ? 2 : 1);
649         }
650
651         // Analyse the enemy's safe rook contact checks. Firstly, find the
652         // undefended squares around the king that are attacked by the enemy's
653         // rooks...
654         b = undefended & ei.attackedBy[Them][ROOK] & ~pos.pieces(Them);
655
656         // Consider only squares where the enemy's rook gives check
657         b &= PseudoAttacks[ROOK][ksq];
658
659         if (b)
660         {
661             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
662             b &= (  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
663                   | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][QUEEN]);
664
665             if (b)
666                 attackUnits +=  RookContactCheck
667                               * popcount<Max15>(b)
668                               * (Them == pos.side_to_move() ? 2 : 1);
669         }
670
671         // Analyse the enemy's safe distance checks for sliders and knights
672         safe = ~(pos.pieces(Them) | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
673
674         b1 = pos.attacks_from<ROOK>(ksq) & safe;
675         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq) & safe;
676
677         // Enemy queen safe checks
678         b = (b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN];
679         if (b)
680             attackUnits += QueenCheck * popcount<Max15>(b);
681
682         // Enemy rooks safe checks
683         b = b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK];
684         if (b)
685             attackUnits += RookCheck * popcount<Max15>(b);
686
687         // Enemy bishops safe checks
688         b = b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP];
689         if (b)
690             attackUnits += BishopCheck * popcount<Max15>(b);
691
692         // Enemy knights safe checks
693         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT] & safe;
694         if (b)
695             attackUnits += KnightCheck * popcount<Max15>(b);
696
697         // To index KingDanger[] attackUnits must be in [0, 99] range
698         attackUnits = std::min(99, std::max(0, attackUnits));
699
700         // Finally, extract the king danger score from the KingDanger[]
701         // array and subtract the score from evaluation.
702         score -= KingDanger[Us == Search::RootColor][attackUnits];
703     }
704
705     if (Trace)
706         Tracing::terms[Us][KING] = score;
707
708     return score;
709   }
710
711
712   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the type of attacking piece
713   // and the type of attacked one.
714
715   template<Color Us, bool Trace>
716   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
717
718     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
719
720     Bitboard b, undefendedMinors, weakEnemies;
721     Score score = SCORE_ZERO;
722
723     // Undefended minors get penalized even if they are not under attack
724     undefendedMinors =  pos.pieces(Them, BISHOP, KNIGHT)
725                       & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES];
726
727     if (undefendedMinors)
728         score += UndefendedMinor;
729
730     // Enemy pieces not defended by a pawn and under our attack
731     weakEnemies =  pos.pieces(Them)
732                  & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
733                  & ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
734
735     // Add a bonus according if the attacking pieces are minor or major
736     if (weakEnemies)
737     {
738         b = weakEnemies & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
739         if (b)
740             score += Threat[0][type_of(pos.piece_on(lsb(b)))];
741
742         b = weakEnemies & (ei.attackedBy[Us][ROOK] | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
743         if (b)
744             score += Threat[1][type_of(pos.piece_on(lsb(b)))];
745     }
746
747     if (Trace)
748         Tracing::terms[Us][Tracing::THREAT] = score;
749
750     return score;
751   }
752
753
754   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
755
756   template<Color Us, bool Trace>
757   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
758
759     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
760
761     Bitboard b, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares, supportingPawns;
762     Score score = SCORE_ZERO;
763
764     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
765
766     while (b)
767     {
768         Square s = pop_lsb(&b);
769
770         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
771
772         int r = int(relative_rank(Us, s) - RANK_2);
773         int rr = r * (r - 1);
774
775         // Base bonus based on rank
776         Value mbonus = Value(17 * rr);
777         Value ebonus = Value(7 * (rr + r + 1));
778
779         if (rr)
780         {
781             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
782
783             // Adjust bonus based on the king's proximity
784             ebonus +=  Value(square_distance(pos.king_square(Them), blockSq) * 5 * rr)
785                      - Value(square_distance(pos.king_square(Us  ), blockSq) * 2 * rr);
786
787             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
788             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
789                 ebonus -= Value(rr * square_distance(pos.king_square(Us), blockSq + pawn_push(Us)));
790
791             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
792             if (pos.empty(blockSq))
793             {
794                 squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
795
796                 // If there is an enemy rook or queen attacking the pawn from behind,
797                 // add all X-ray attacks by the rook or queen. Otherwise consider only
798                 // the squares in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
799                 if (    unlikely(forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Them, ROOK, QUEEN))
800                     && (forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Them, ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s)))
801                     unsafeSquares = squaresToQueen;
802                 else
803                     unsafeSquares = squaresToQueen & (ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
804
805                 if (    unlikely(forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
806                     && (forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s)))
807                     defendedSquares = squaresToQueen;
808                 else
809                     defendedSquares = squaresToQueen & ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
810
811                 // If there aren't any enemy attacks, then assign a huge bonus.
812                 // The bonus will be a bit smaller if at least the block square
813                 // isn't attacked, otherwise assign the smallest possible bonus.
814                 int k = !unsafeSquares ? 15 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 3;
815
816                 // Assign a big bonus if the path to the queen is fully defended,
817                 // otherwise assign a bit less of a bonus if at least the block
818                 // square is defended.
819                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
820                     k += 6;
821
822                 else if (defendedSquares & blockSq)
823                     k += (unsafeSquares & defendedSquares) == unsafeSquares ? 4 : 2;
824
825                 mbonus += Value(k * rr), ebonus += Value(k * rr);
826             }
827         } // rr != 0
828
829         // Increase the bonus if the passed pawn is supported by a friendly pawn
830         // on the same rank and a bit smaller if it's on the previous rank.
831         supportingPawns = pos.pieces(Us, PAWN) & adjacent_files_bb(file_of(s));
832         if (supportingPawns & rank_bb(s))
833             ebonus += Value(r * 20);
834
835         else if (supportingPawns & rank_bb(s - pawn_push(Us)))
836             ebonus += Value(r * 12);
837
838         // Rook pawns are a special case: They are sometimes worse, and
839         // sometimes better than other passed pawns. It is difficult to find
840         // good rules for determining whether they are good or bad. For now,
841         // we try the following: Increase the value for rook pawns if the
842         // other side has no pieces apart from a knight, and decrease the
843         // value if the other side has a rook or queen.
844         if (file_of(s) == FILE_A || file_of(s) == FILE_H)
845         {
846             if (pos.non_pawn_material(Them) <= KnightValueMg)
847                 ebonus += ebonus / 4;
848
849             else if (pos.pieces(Them, ROOK, QUEEN))
850                 ebonus -= ebonus / 4;
851         }
852
853         if (pos.count<PAWN>(Us) < pos.count<PAWN>(Them))
854             ebonus += ebonus / 4;
855
856         score += make_score(mbonus, ebonus);
857     }
858
859     if (Trace)
860         Tracing::terms[Us][Tracing::PASSED] = apply_weight(score, Weights[PassedPawns]);
861
862     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
863     return apply_weight(score, Weights[PassedPawns]);
864   }
865
866
867   // evaluate_unstoppable_pawns() scores the most advanced among the passed and
868   // candidate pawns. In case opponent has no pieces but pawns, this is somewhat
869   // related to the possibility that pawns are unstoppable.
870
871   Score evaluate_unstoppable_pawns(const Position& pos, Color us, const EvalInfo& ei) {
872
873     Bitboard b = ei.pi->passed_pawns(us) | ei.pi->candidate_pawns(us);
874
875     if (!b || pos.non_pawn_material(~us))
876         return SCORE_ZERO;
877
878     return Unstoppable * int(relative_rank(us, frontmost_sq(us, b)));
879   }
880
881
882   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
883   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
884   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
885   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
886   // twice. Finally, the space bonus is scaled by a weight taken from the
887   // material hash table. The aim is to improve play on game opening.
888   template<Color Us>
889   int evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
890
891     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
892
893     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
894     // SpaceMask[]. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
895     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
896     Bitboard safe =   SpaceMask[Us]
897                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
898                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
899                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
900
901     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
902     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
903     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
904     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
905
906     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board
907     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
908
909     // Count safe + (behind & safe) with a single popcount
910     return popcount<Full>((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
911   }
912
913
914   // interpolate() interpolates between a middlegame and an endgame score,
915   // based on game phase. It also scales the return value by a ScaleFactor array.
916
917   Value interpolate(const Score& v, Phase ph, ScaleFactor sf) {
918
919     assert(-VALUE_INFINITE < mg_value(v) && mg_value(v) < VALUE_INFINITE);
920     assert(-VALUE_INFINITE < eg_value(v) && eg_value(v) < VALUE_INFINITE);
921     assert(PHASE_ENDGAME <= ph && ph <= PHASE_MIDGAME);
922
923     int eg = (eg_value(v) * int(sf)) / SCALE_FACTOR_NORMAL;
924     return Value((mg_value(v) * int(ph) + eg * int(PHASE_MIDGAME - ph)) / PHASE_MIDGAME);
925   }
926
927   // apply_weight() weights score v by score w trying to prevent overflow
928   Score apply_weight(Score v, const Weight& w) {
929
930     return make_score(mg_value(v) * w.mg / 256, eg_value(v) * w.eg / 256);
931   }
932
933   // weight_option() computes the value of an evaluation weight, by combining
934   // two UCI-configurable weights (midgame and endgame) with an internal weight.
935
936   Weight weight_option(const std::string& mgOpt, const std::string& egOpt, Score internalWeight) {
937
938     Weight w = { Options[mgOpt] * mg_value(internalWeight) / 100,
939                  Options[egOpt] * eg_value(internalWeight) / 100 };
940     return w;
941   }
942
943
944   // Tracing function definitions
945
946   double Tracing::to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueMg; }
947
948   void Tracing::add_term(int idx, Score wScore, Score bScore) {
949
950     terms[WHITE][idx] = wScore;
951     terms[BLACK][idx] = bScore;
952   }
953
954   void Tracing::format_row(std::stringstream& ss, const char* name, int idx) {
955
956     Score wScore = terms[WHITE][idx];
957     Score bScore = terms[BLACK][idx];
958
959     switch (idx) {
960     case PST: case IMBALANCE: case PAWN: case TOTAL:
961         ss << std::setw(20) << name << " |   ---   --- |   ---   --- | "
962            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(wScore - bScore)) << " "
963            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(wScore - bScore)) << " \n";
964         break;
965     default:
966         ss << std::setw(20) << name << " | " << std::noshowpos
967            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(wScore)) << " "
968            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(wScore)) << " | "
969            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(bScore)) << " "
970            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(bScore)) << " | "
971            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(wScore - bScore)) << " "
972            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(wScore - bScore)) << " \n";
973     }
974   }
975
976   std::string Tracing::do_trace(const Position& pos) {
977
978     std::memset(terms, 0, sizeof(terms));
979
980     Value v = do_evaluate<true>(pos);
981     v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
982
983     std::stringstream ss;
984     ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
985        << "           Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
986        << "                     |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
987        << "---------------------+-------------+-------------+-------------\n";
988
989     format_row(ss, "Material, PST, Tempo", PST);
990     format_row(ss, "Material imbalance", IMBALANCE);
991     format_row(ss, "Pawns", PAWN);
992     format_row(ss, "Knights", KNIGHT);
993     format_row(ss, "Bishops", BISHOP);
994     format_row(ss, "Rooks", ROOK);
995     format_row(ss, "Queens", QUEEN);
996     format_row(ss, "Mobility", MOBILITY);
997     format_row(ss, "King safety", KING);
998     format_row(ss, "Threats", THREAT);
999     format_row(ss, "Passed pawns", PASSED);
1000     format_row(ss, "Space", SPACE);
1001
1002     ss << "---------------------+-------------+-------------+-------------\n";
1003     format_row(ss, "Total", TOTAL);
1004
1005     ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
1006
1007     return ss.str();
1008   }
1009 }