]> git.sesse.net Git - stockfish/blob - src/evaluate.cpp
d16648a84ea3458394fee142779c7d0e7d56c602
[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         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
583         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
584
585         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & attacks_bb<KNIGHT>(s);
586
587         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
588
589         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces()))
590            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & attacks_bb<ROOK  >(s, pos.pieces()));
591
592         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
593     }
594
595     if (T)
596         Trace::add(THREAT, Us, score);
597
598     return score;
599   }
600
601   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
602   // pawns of the given color.
603
604   template<Tracing T> template<Color Us>
605   Score Evaluation<T>::passed() const {
606
607     constexpr Color     Them = ~Us;
608     constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
609     constexpr Direction Down = -Up;
610
611     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
612       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
613     };
614
615     Bitboard b, bb, squaresToQueen, unsafeSquares, blockedPassers, helpers;
616     Score score = SCORE_ZERO;
617
618     b = pe->passed_pawns(Us);
619
620     blockedPassers = b & shift<Down>(pos.pieces(Them, PAWN));
621     if (blockedPassers)
622     {
623         helpers =  shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN))
624                  & ~pos.pieces(Them)
625                  & (~attackedBy2[Them] | attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
626
627         // Remove blocked candidate passers that don't have help to pass
628         b &=  ~blockedPassers
629             | shift<WEST>(helpers)
630             | shift<EAST>(helpers);
631     }
632
633     while (b)
634     {
635         Square s = pop_lsb(&b);
636
637         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
638
639         int r = relative_rank(Us, s);
640
641         Score bonus = PassedRank[r];
642
643         if (r > RANK_3)
644         {
645             int w = 5 * r - 13;
646             Square blockSq = s + Up;
647
648             // Adjust bonus based on the king's proximity
649             bonus += make_score(0, (  (king_proximity(Them, blockSq) * 19) / 4
650                                      - king_proximity(Us,   blockSq) *  2) * w);
651
652             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
653             if (r != RANK_7)
654                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
655
656             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
657             if (pos.empty(blockSq))
658             {
659                 squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
660                 unsafeSquares = passed_pawn_span(Us, s);
661
662                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN);
663
664                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
665                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES];
666
667                 // If there are no enemy attacks on passed pawn span, assign a big bonus.
668                 // Otherwise assign a smaller bonus if the path to queen is not attacked
669                 // and even smaller bonus if it is attacked but block square is not.
670                 int k = !unsafeSquares                    ? 35 :
671                         !(unsafeSquares & squaresToQueen) ? 20 :
672                         !(unsafeSquares & blockSq)        ?  9 :
673                                                              0 ;
674
675                 // Assign a larger bonus if the block square is defended
676                 if ((pos.pieces(Us) & bb) || (attackedBy[Us][ALL_PIECES] & blockSq))
677                     k += 5;
678
679                 bonus += make_score(k * w, k * w);
680             }
681         } // r > RANK_3
682
683         score += bonus - PassedFile * edge_distance(file_of(s));
684     }
685
686     if (T)
687         Trace::add(PASSED, Us, score);
688
689     return score;
690   }
691
692
693   // Evaluation::space() computes a space evaluation for a given side, aiming to improve game
694   // play in the opening. It is based on the number of safe squares on the 4 central files
695   // on ranks 2 to 4. Completely safe squares behind a friendly pawn are counted twice.
696   // Finally, the space bonus is multiplied by a weight which decreases according to occupancy.
697
698   template<Tracing T> template<Color Us>
699   Score Evaluation<T>::space() const {
700
701     // Early exit if, for example, both queens or 6 minor pieces have been exchanged
702     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
703         return SCORE_ZERO;
704
705     constexpr Color Them     = ~Us;
706     constexpr Direction Down = -pawn_push(Us);
707     constexpr Bitboard SpaceMask =
708       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
709                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
710
711     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
712     Bitboard safe =   SpaceMask
713                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
714                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
715
716     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
717     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
718     behind |= shift<Down>(behind);
719     behind |= shift<Down+Down>(behind);
720
721     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
722     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 3 + std::min(pe->blocked_count(), 9);
723     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
724
725     if (T)
726         Trace::add(SPACE, Us, score);
727
728     return score;
729   }
730
731
732   // Evaluation::winnable() adjusts the midgame and endgame score components, based on
733   // the known attacking/defending status of the players. The final value is derived
734   // by interpolation from the midgame and endgame values.
735
736   template<Tracing T>
737   Value Evaluation<T>::winnable(Score score) const {
738
739     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
740                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
741
742     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
743                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
744
745     bool almostUnwinnable =   outflanking < 0
746                            && !pawnsOnBothFlanks;
747
748     bool infiltration =   rank_of(pos.square<KING>(WHITE)) > RANK_4
749                        || rank_of(pos.square<KING>(BLACK)) < RANK_5;
750
751     // Compute the initiative bonus for the attacking side
752     int complexity =   9 * pe->passed_count()
753                     + 12 * pos.count<PAWN>()
754                     +  9 * outflanking
755                     + 21 * pawnsOnBothFlanks
756                     + 24 * infiltration
757                     + 51 * !pos.non_pawn_material()
758                     - 43 * almostUnwinnable
759                     -110 ;
760
761     Value mg = mg_value(score);
762     Value eg = eg_value(score);
763
764     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting the
765     // sign of the midgame or endgame values, and that we carefully cap the bonus
766     // so that the midgame and endgame scores do not change sign after the bonus.
767     int u = ((mg > 0) - (mg < 0)) * Utility::clamp(complexity + 50, -abs(mg), 0);
768     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
769
770     mg += u;
771     eg += v;
772
773     // Compute the scale factor for the winning side
774     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
775     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
776
777     // If scale factor is not already specific, scale down via general heuristics
778     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
779     {
780         if (pos.opposite_bishops())
781         {
782             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
783                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
784                 sf = 18 + 4 * popcount(pe->passed_pawns(strongSide));
785             else
786                 sf = 22 + 3 * pos.count<ALL_PIECES>(strongSide);
787         }
788         else if (  pos.non_pawn_material(WHITE) == RookValueMg
789                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == RookValueMg
790                 && pos.count<PAWN>(strongSide) - pos.count<PAWN>(~strongSide) <= 1
791                 && bool(KingSide & pos.pieces(strongSide, PAWN)) != bool(QueenSide & pos.pieces(strongSide, PAWN))
792                 && (attacks_bb<KING>(pos.square<KING>(~strongSide)) & pos.pieces(~strongSide, PAWN)))
793             sf = 36;
794         else if (pos.count<QUEEN>() == 1)
795             sf = 37 + 3 * (pos.count<QUEEN>(WHITE) == 1 ? pos.count<BISHOP>(BLACK) + pos.count<KNIGHT>(BLACK)
796                                                         : pos.count<BISHOP>(WHITE) + pos.count<KNIGHT>(WHITE));
797         else
798             sf = std::min(sf, 36 + 7 * pos.count<PAWN>(strongSide));
799     }
800
801     // Interpolate between the middlegame and (scaled by 'sf') endgame score
802     v =  mg * int(me->game_phase())
803        + eg * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * ScaleFactor(sf) / SCALE_FACTOR_NORMAL;
804     v /= PHASE_MIDGAME;
805
806     if (T)
807     {
808         Trace::add(WINNABLE, make_score(u, eg * ScaleFactor(sf) / SCALE_FACTOR_NORMAL - eg_value(score)));
809         Trace::add(TOTAL, make_score(mg, eg * ScaleFactor(sf) / SCALE_FACTOR_NORMAL));
810     }
811
812     return Value(v);
813   }
814
815
816   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
817   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
818   // of view of the side to move.
819
820   template<Tracing T>
821   Value Evaluation<T>::value() {
822
823     assert(!pos.checkers());
824
825     // Probe the material hash table
826     me = Material::probe(pos);
827
828     // If we have a specialized evaluation function for the current material
829     // configuration, call it and return.
830     if (me->specialized_eval_exists())
831         return me->evaluate(pos);
832
833     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
834     // the position object (material + piece square tables) and the material
835     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
836     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
837
838     // Probe the pawn hash table
839     pe = Pawns::probe(pos);
840     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
841
842     // Early exit if score is high
843     auto lazy_skip = [&](Value lazyThreshold) {
844         return abs(mg_value(score) + eg_value(score)) / 2 > lazyThreshold + pos.non_pawn_material() / 64;
845     };
846
847     if (lazy_skip(LazyThreshold1))
848         goto make_v;
849
850     // Main evaluation begins here
851     initialize<WHITE>();
852     initialize<BLACK>();
853
854     // Pieces evaluated first (also populates attackedBy, attackedBy2).
855     // Note that the order of evaluation of the terms is left unspecified.
856     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
857             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
858             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
859             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
860
861     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
862
863     // More complex interactions that require fully populated attack bitboards
864     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
865             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>();
866
867     if (lazy_skip(LazyThreshold2))
868         goto make_v;
869
870     score +=  threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
871             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
872
873 make_v:
874     // Derive single value from mg and eg parts of score
875     Value v = winnable(score);
876
877     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
878     if (T)
879     {
880         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
881         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
882         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
883         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
884     }
885
886     // Evaluation grain
887     v = (v / 16) * 16;
888
889     // Side to move point of view
890     v = (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Tempo;
891
892     // Damp down the evaluation linearly when shuffling
893     v = v * (100 - pos.rule50_count()) / 100;
894
895     return v;
896   }
897
898 } // namespace
899
900
901 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
902 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
903
904 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
905   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
906 }
907
908
909 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
910 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
911 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
912
913 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
914
915   if (pos.checkers())
916       return "Total evaluation: none (in check)";
917
918   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
919
920   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
921
922   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
923
924   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
925
926   std::stringstream ss;
927   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
928      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
929      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
930      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
931      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
932      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
933      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
934      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
935      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
936      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
937      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
938      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
939      << " King safety | " << Term(KING)
940      << "     Threats | " << Term(THREAT)
941      << "      Passed | " << Term(PASSED)
942      << "       Space | " << Term(SPACE)
943      << "    Winnable | " << Term(WINNABLE)
944      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
945      << "       Total | " << Term(TOTAL);
946
947   ss << "\nFinal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
948
949   return ss.str();
950 }