]> git.sesse.net Git - stockfish/blob - src/evaluate.cpp
c98a83fc81a777806b111d80200946eaeb271da7
[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) 2015-2018 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
6
7   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
10   (at your option) any later version.
11
12   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15   GNU General Public License for more details.
16
17   You should have received a copy of the GNU General Public License
18   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19 */
20
21 #include <algorithm>
22 #include <cassert>
23 #include <cstring>   // For std::memset
24 #include <iomanip>
25 #include <sstream>
26
27 #include "bitboard.h"
28 #include "evaluate.h"
29 #include "material.h"
30 #include "pawns.h"
31 #include "thread.h"
32
33 namespace Trace {
34
35   enum Tracing { NO_TRACE, TRACE };
36
37   enum Term { // The first 8 entries are reserved for PieceType
38     MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, INITIATIVE, TOTAL, TERM_NB
39   };
40
41   Score scores[TERM_NB][COLOR_NB];
42
43   double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
44
45   void add(int idx, Color c, Score s) {
46     scores[idx][c] = s;
47   }
48
49   void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
50     scores[idx][WHITE] = w;
51     scores[idx][BLACK] = b;
52   }
53
54   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Score s) {
55     os << std::setw(5) << to_cp(mg_value(s)) << " "
56        << std::setw(5) << to_cp(eg_value(s));
57     return os;
58   }
59
60   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
61
62     if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == INITIATIVE || t == TOTAL)
63         os << " ----  ----"    << " | " << " ----  ----";
64     else
65         os << scores[t][WHITE] << " | " << scores[t][BLACK];
66
67     os << " | " << scores[t][WHITE] - scores[t][BLACK] << "\n";
68     return os;
69   }
70 }
71
72 using namespace Trace;
73
74 namespace {
75
76   constexpr Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
77   constexpr Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
78   constexpr Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
79   constexpr Bitboard Center      = (FileDBB | FileEBB) & (Rank4BB | Rank5BB);
80
81   constexpr Bitboard KingFlank[FILE_NB] = {
82     QueenSide,   QueenSide, QueenSide,
83     CenterFiles, CenterFiles,
84     KingSide,    KingSide,  KingSide
85   };
86
87   // Threshold for lazy and space evaluation
88   constexpr Value LazyThreshold  = Value(1500);
89   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
90
91   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
92   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 78, 56, 45, 11 };
93
94   // Penalties for enemy's safe checks
95   constexpr int QueenSafeCheck  = 780;
96   constexpr int RookSafeCheck   = 880;
97   constexpr int BishopSafeCheck = 435;
98   constexpr int KnightSafeCheck = 790;
99
100 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
101
102   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
103   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
104   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
105     { S(-75,-76), S(-57,-54), S( -9,-28), S( -2,-10), S(  6,  5), S( 14, 12), // Knights
106       S( 22, 26), S( 29, 29), S( 36, 29) },
107     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
108       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
109       S( 91, 88), S( 98, 97) },
110     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
111       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
112       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
113     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
114       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
115       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
116       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
117       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
118   };
119
120   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for minor
121   // pieces if they occupy or can reach an outpost square, bigger if that
122   // square is supported by a pawn.
123   constexpr Score Outpost[][2] = {
124     { S(22, 6), S(36,12) }, // Knight
125     { S( 9, 2), S(15, 5) }  // Bishop
126   };
127
128   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
129   // no (friendly) pawn on the rook file.
130   constexpr Score RookOnFile[] = { S(20, 7), S(45, 20) };
131
132   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
133   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
134   // pawn-defended are not considered.
135   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
136     S(0, 0), S(0, 31), S(39, 42), S(57, 44), S(68, 112), S(47, 120)
137   };
138
139   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
140     S(0, 0), S(0, 24), S(38, 71), S(38, 61), S(0, 38), S(36, 38)
141   };
142
143   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for king attacks on
144   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
145   constexpr Score ThreatByKing[] = { S(3, 65), S(9, 145) };
146
147   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
148   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
149     S(0, 0), S(5, 7), S(5, 13), S(32, 42), S(70, 70), S(172, 170), S(217, 269)
150   };
151
152   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
153   constexpr Score PassedFile[FILE_NB] = {
154     S(  9, 10), S(2, 10), S(1, -8), S(-20,-12),
155     S(-20,-12), S(1, -8), S(2, 10), S(  9, 10)
156   };
157
158   // PassedDanger[Rank] contains a term to weight the passed score
159   constexpr int PassedDanger[RANK_NB] = { 0, 0, 0, 2, 7, 12, 19 };
160
161   // KingProtector[PieceType-2] contains a penalty according to distance from king
162   constexpr Score KingProtector[] = { S(3, 5), S(4, 3), S(3, 0), S(1, -1) };
163
164   // Assorted bonuses and penalties
165   constexpr Score BishopPawns        = S(  8, 12);
166   constexpr Score CloseEnemies       = S(  7,  0);
167   constexpr Score Connectivity       = S(  3,  1);
168   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
169   constexpr Score Hanging            = S( 52, 30);
170   constexpr Score HinderPassedPawn   = S(  8,  1);
171   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 21, 11);
172   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 22,  0);
173   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 16,  0);
174   constexpr Score Overload           = S( 10,  5);
175   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 20, 80);
176   constexpr Score RookOnPawn         = S(  8, 24);
177   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 42, 21);
178   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 47, 26);
179   constexpr Score ThreatByRank       = S( 16,  3);
180   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(175,168);
181   constexpr Score TrappedRook        = S( 92,  0);
182   constexpr Score WeakQueen          = S( 50, 10);
183   constexpr Score WeakUnopposedPawn  = S(  5, 25);
184
185 #undef S
186
187   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
188   template<Tracing T>
189   class Evaluation {
190
191   public:
192     Evaluation() = delete;
193     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
194     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
195     Value value();
196
197   private:
198     template<Color Us> void initialize();
199     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
200     template<Color Us> Score king() const;
201     template<Color Us> Score threats() const;
202     template<Color Us> Score passed() const;
203     template<Color Us> Score space() const;
204     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
205     Score initiative(Value eg) const;
206
207     const Position& pos;
208     Material::Entry* me;
209     Pawns::Entry* pe;
210     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
211     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
212
213     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
214     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
215     // is also calculated is ALL_PIECES.
216     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
217
218     // attackedBy2[color] are the squares attacked by 2 pieces of a given color,
219     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
220     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
221     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
222
223     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king, plus (only for a
224     // king on its first rank) the squares two ranks in front. For instance,
225     // if black's king is on g8, kingRing[BLACK] is f8, h8, f7, g7, h7, f6, g6
226     // and h6. It is set to 0 when king safety evaluation is skipped.
227     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
228
229     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
230     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
231     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
232
233     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
234     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
235     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
236     // the KingAttackWeights array.
237     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
238
239     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
240     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
241     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
242     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
243     // to kingAttacksCount[WHITE].
244     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
245   };
246
247
248   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
249   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
250   template<Tracing T> template<Color Us>
251   void Evaluation<T>::initialize() {
252
253     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
254     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
255     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
256     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB: Rank7BB | Rank6BB);
257
258     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
259     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
260
261     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen, or controlled by enemy pawns
262     // are excluded from the mobility area.
263     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
264
265     // Initialise attackedBy bitboards for kings and pawns
266     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(Us));
267     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
268     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
269     attackedBy2[Us]            = attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN];
270
271     // Init our king safety tables only if we are going to use them
272     if (pos.non_pawn_material(Them) >= RookValueMg + KnightValueMg)
273     {
274         kingRing[Us] = attackedBy[Us][KING];
275         if (relative_rank(Us, pos.square<KING>(Us)) == RANK_1)
276             kingRing[Us] |= shift<Up>(kingRing[Us]);
277
278         if (file_of(pos.square<KING>(Us)) == FILE_H)
279             kingRing[Us] |= shift<WEST>(kingRing[Us]);
280
281         else if (file_of(pos.square<KING>(Us)) == FILE_A)
282             kingRing[Us] |= shift<EAST>(kingRing[Us]);
283
284         kingAttackersCount[Them] = popcount(attackedBy[Us][KING] & pe->pawn_attacks(Them));
285         kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
286     }
287     else
288         kingRing[Us] = kingAttackersCount[Them] = 0;
289   }
290
291
292   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
293   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
294   Score Evaluation<T>::pieces() {
295
296     constexpr Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
297     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
298                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
299     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
300
301     Bitboard b, bb;
302     Square s;
303     Score score = SCORE_ZERO;
304
305     attackedBy[Us][Pt] = 0;
306
307     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
308     {
309         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
310         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
311           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
312                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
313
314         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
315             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
316
317         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
318         attackedBy[Us][Pt] |= b;
319         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
320
321         if (b & kingRing[Them])
322         {
323             kingAttackersCount[Us]++;
324             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
325             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
326         }
327
328         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
329
330         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
331
332         // Penalty if the piece is far from the king
333         score -= KingProtector[Pt - 2] * distance(s, pos.square<KING>(Us));
334
335         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
336         {
337             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
338             bb = OutpostRanks & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
339             if (bb & s)
340                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & s)] * 2;
341
342             else if (bb &= b & ~pos.pieces(Us))
343                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
344
345             // Bonus when behind a pawn
346             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
347                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
348                 score += MinorBehindPawn;
349
350             if (Pt == BISHOP)
351             {
352                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the bishop
353                 score -= BishopPawns * pe->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
354
355                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
356                 if (more_than_one(Center & (attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) | s)))
357                     score += LongDiagonalBishop;
358             }
359
360             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
361             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
362             // when that pawn is also blocked.
363             if (   Pt == BISHOP
364                 && pos.is_chess960()
365                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
366             {
367                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
368                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
369                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
370                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
371                                                                               : CorneredBishop;
372             }
373         }
374
375         if (Pt == ROOK)
376         {
377             // Bonus for aligning rook with enemy pawns on the same rank/file
378             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
379                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
380
381             // Bonus for rook on an open or semi-open file
382             if (pe->semiopen_file(Us, file_of(s)))
383                 score += RookOnFile[bool(pe->semiopen_file(Them, file_of(s)))];
384
385             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
386             else if (mob <= 3)
387             {
388                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
389                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
390                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
391             }
392         }
393
394         if (Pt == QUEEN)
395         {
396             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
397             Bitboard queenPinners;
398             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
399                 score -= WeakQueen;
400         }
401     }
402     if (T)
403         Trace::add(Pt, Us, score);
404
405     return score;
406   }
407
408
409   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
410   template<Tracing T> template<Color Us>
411   Score Evaluation<T>::king() const {
412
413     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
414     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
415                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
416
417     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
418     Bitboard weak, b, b1, b2, safe, unsafeChecks, pinned;
419
420     // King shelter and enemy pawns storm
421     Score score = pe->king_safety<Us>(pos, ksq);
422
423     // Main king safety evaluation
424     if (kingAttackersCount[Them] > 1 - pos.count<QUEEN>(Them))
425     {
426         int kingDanger = 0;
427         unsafeChecks = 0;
428
429         // Attacked squares defended at most once by our queen or king
430         weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
431               & ~attackedBy2[Us]
432               & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
433
434         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
435         safe  = ~pos.pieces(Them);
436         safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
437
438         b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
439         b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
440
441         // Enemy queen safe checks
442         if ((b1 | b2) & attackedBy[Them][QUEEN] & safe & ~attackedBy[Us][QUEEN])
443             kingDanger += QueenSafeCheck;
444
445         b1 &= attackedBy[Them][ROOK];
446         b2 &= attackedBy[Them][BISHOP];
447
448         // Enemy rooks checks
449         if (b1 & safe)
450             kingDanger += RookSafeCheck;
451         else
452             unsafeChecks |= b1;
453
454         // Enemy bishops checks
455         if (b2 & safe)
456             kingDanger += BishopSafeCheck;
457         else
458             unsafeChecks |= b2;
459
460         // Enemy knights checks
461         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
462         if (b & safe)
463             kingDanger += KnightSafeCheck;
464         else
465             unsafeChecks |= b;
466
467         // Unsafe or occupied checking squares will also be considered, as long as
468         // the square is in the attacker's mobility area.
469         unsafeChecks &= mobilityArea[Them];
470         pinned = pos.blockers_for_king(Us) & pos.pieces(Us);
471
472         kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
473                      + 102 * kingAttacksCount[Them]
474                      + 191 * popcount(kingRing[Us] & weak)
475                      + 143 * popcount(pinned | unsafeChecks)
476                      - 848 * !pos.count<QUEEN>(Them)
477                      -   9 * mg_value(score) / 8
478                      +  40;
479
480         // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
481         if (kingDanger > 0)
482         {
483             int mobilityDanger = mg_value(mobility[Them] - mobility[Us]);
484             kingDanger = std::max(0, kingDanger + mobilityDanger);
485             score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
486         }
487     }
488
489     Bitboard kf = KingFlank[file_of(ksq)];
490
491     // Penalty when our king is on a pawnless flank
492     if (!(pos.pieces(PAWN) & kf))
493         score -= PawnlessFlank;
494
495     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
496     // which are attacked twice in that flank but not defended by our pawns.
497     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & kf & Camp;
498     b2 = b1 & attackedBy2[Them] & ~attackedBy[Us][PAWN];
499
500     // King tropism, to anticipate slow motion attacks on our king
501     score -= CloseEnemies * (popcount(b1) + popcount(b2));
502
503     if (T)
504         Trace::add(KING, Us, score);
505
506     return score;
507   }
508
509
510   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
511   // attacking and the attacked pieces.
512   template<Tracing T> template<Color Us>
513   Score Evaluation<T>::threats() const {
514
515     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
516     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
517     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
518
519     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safeThreats;
520     Score score = SCORE_ZERO;
521
522     // Non-pawn enemies
523     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN);
524
525     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
526     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
527     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
528                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
529
530     // Non-pawn enemies, strongly protected
531     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
532
533     // Enemies not strongly protected and under our attack
534     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
535
536     // Bonus according to the kind of attacking pieces
537     if (defended | weak)
538     {
539         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
540         while (b)
541         {
542             Square s = pop_lsb(&b);
543             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
544             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
545                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
546         }
547
548         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & attackedBy[Us][ROOK];
549         while (b)
550         {
551             Square s = pop_lsb(&b);
552             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
553             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
554                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
555         }
556
557         b = weak & attackedBy[Us][KING];
558         if (b)
559             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
560
561         score += Hanging * popcount(weak & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
562
563         // Bonus for overload (non-pawn enemies attacked and defended exactly once)
564         b =  nonPawnEnemies
565            & attackedBy[Us][ALL_PIECES]   & ~attackedBy2[Us]
566            & attackedBy[Them][ALL_PIECES] & ~attackedBy2[Them];
567         score += Overload * popcount(b);
568     }
569
570     // Bonus for enemy unopposed weak pawns
571     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
572         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
573
574     // Our safe or protected pawns
575     b =   pos.pieces(Us, PAWN)
576        & (~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
577
578     safeThreats = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
579     score += ThreatBySafePawn * popcount(safeThreats);
580
581     // Find squares where our pawns can push on the next move
582     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
583     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
584
585     // Keep only the squares which are not completely unsafe
586     b &= ~attackedBy[Them][PAWN]
587         & (attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
588
589     // Bonus for safe pawn threats on the next move
590     b =   pawn_attacks_bb<Us>(b)
591        &  pos.pieces(Them)
592        & ~attackedBy[Us][PAWN];
593
594     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
595
596     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
597     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
598     {
599         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
600         safeThreats = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
601
602         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
603
604         score += KnightOnQueen * popcount(b & safeThreats);
605
606         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
607            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
608
609         score += SliderOnQueen * popcount(b & safeThreats & attackedBy2[Us]);
610     }
611
612     // Connectivity: ensure that knights, bishops, rooks, and queens are protected
613     b = (pos.pieces(Us) ^ pos.pieces(Us, PAWN, KING)) & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
614     score += Connectivity * popcount(b);
615
616     if (T)
617         Trace::add(THREAT, Us, score);
618
619     return score;
620   }
621
622   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
623   // pawns of the given color.
624
625   template<Tracing T> template<Color Us>
626   Score Evaluation<T>::passed() const {
627
628     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
629     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
630
631     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
632       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
633     };
634
635     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
636     Score score = SCORE_ZERO;
637
638     b = pe->passed_pawns(Us);
639
640     while (b)
641     {
642         Square s = pop_lsb(&b);
643
644         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
645
646         bb = forward_file_bb(Us, s) & (attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
647         score -= HinderPassedPawn * popcount(bb);
648
649         int r = relative_rank(Us, s);
650         int w = PassedDanger[r];
651
652         Score bonus = PassedRank[r];
653
654         if (w)
655         {
656             Square blockSq = s + Up;
657
658             // Adjust bonus based on the king's proximity
659             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
660                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
661
662             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
663             if (r != RANK_7)
664                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
665
666             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
667             if (pos.empty(blockSq))
668             {
669                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
670                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
671                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
672                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
673
674                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
675
676                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
677                     defendedSquares &= attackedBy[Us][ALL_PIECES];
678
679                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
680                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
681
682                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
683                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
684                 int k = !unsafeSquares ? 20 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
685
686                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
687                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
688                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
689                     k += 6;
690
691                 else if (defendedSquares & blockSq)
692                     k += 4;
693
694                 bonus += make_score(k * w, k * w);
695             }
696             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
697                 bonus += make_score(w + r * 2, w + r * 2);
698         } // w != 0
699
700         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
701         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
702         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
703             || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
704             bonus = bonus / 2;
705
706         score += bonus + PassedFile[file_of(s)];
707     }
708
709     if (T)
710         Trace::add(PASSED, Us, score);
711
712     return score;
713   }
714
715
716   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
717   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
718   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
719   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
720   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
721   // improve play on game opening.
722
723   template<Tracing T> template<Color Us>
724   Score Evaluation<T>::space() const {
725
726     constexpr Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
727     constexpr Bitboard SpaceMask =
728       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
729                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
730
731     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
732         return SCORE_ZERO;
733
734     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
735     Bitboard safe =   SpaceMask
736                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
737                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
738
739     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
740     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
741     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
742     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
743
744     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe);
745     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * pe->open_files();
746
747     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
748
749     if (T)
750         Trace::add(SPACE, Us, score);
751
752     return score;
753   }
754
755
756   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
757   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
758   // known attacking/defending status of the players.
759
760   template<Tracing T>
761   Score Evaluation<T>::initiative(Value eg) const {
762
763     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
764                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
765
766     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
767                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
768
769     // Compute the initiative bonus for the attacking side
770     int complexity =   8 * outflanking
771                     +  8 * pe->pawn_asymmetry()
772                     + 12 * pos.count<PAWN>()
773                     + 16 * pawnsOnBothFlanks
774                     + 48 * !pos.non_pawn_material()
775                     -136 ;
776
777     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
778     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
779     // that the endgame score will never change sign after the bonus.
780     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
781
782     if (T)
783         Trace::add(INITIATIVE, make_score(0, v));
784
785     return make_score(0, v);
786   }
787
788
789   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
790
791   template<Tracing T>
792   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
793
794     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
795     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
796
797     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
798     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
799     {
800         if (pos.opposite_bishops())
801         {
802             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces is almost a draw
803             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
804                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
805                 sf = 31;
806
807             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
808             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
809             else
810                 sf = 46;
811         }
812         else
813             sf = std::min(40 + 7 * pos.count<PAWN>(strongSide), sf);
814     }
815
816     return ScaleFactor(sf);
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     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
848     if (abs(v) > LazyThreshold)
849        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
850
851     // Main evaluation begins here
852
853     initialize<WHITE>();
854     initialize<BLACK>();
855
856     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
857     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
858             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
859             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
860             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
861
862     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
863
864     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
865             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
866             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
867             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
868
869     score += initiative(eg_value(score));
870
871     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
872     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
873     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
874        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
875
876     v /= int(PHASE_MIDGAME);
877
878     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
879     if (T)
880     {
881         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
882         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
883         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
884         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
885         Trace::add(TOTAL, score);
886     }
887
888     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
889            + Eval::Tempo;
890   }
891
892 } // namespace
893
894
895 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
896 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
897
898 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
899   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
900 }
901
902
903 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
904 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
905 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
906
907 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
908
909   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
910
911   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
912
913   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
914
915   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
916
917   std::stringstream ss;
918   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
919      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
920      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
921      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
922      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
923      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
924      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
925      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
926      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
927      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
928      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
929      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
930      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
931      << " King safety | " << Term(KING)
932      << "     Threats | " << Term(THREAT)
933      << "      Passed | " << Term(PASSED)
934      << "       Space | " << Term(SPACE)
935      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
936      << "       Total | " << Term(TOTAL);
937
938   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
939
940   return ss.str();
941 }