Rename shift_bb() to shift()
[stockfish] / src / evaluate.cpp
1 /*
2   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
3   Copyright (C) 2004-2008 Tord Romstad (Glaurung author)
4   Copyright (C) 2008-2015 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5   Copyright (C) 2015-2016 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
6
7   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
10   (at your option) any later version.
11
12   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15   GNU General Public License for more details.
16
17   You should have received a copy of the GNU General Public License
18   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19 */
20
21 #include <algorithm>
22 #include <cassert>
23 #include <cstring>   // For std::memset
24 #include <iomanip>
25 #include <sstream>
26
27 #include "bitboard.h"
28 #include "evaluate.h"
29 #include "material.h"
30 #include "pawns.h"
31
32 namespace {
33
34   namespace Trace {
35
36     enum Term { // The first 8 entries are for PieceType
37       MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, TOTAL, TERM_NB
38     };
39
40     double scores[TERM_NB][COLOR_NB][PHASE_NB];
41
42     double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
43
44     void add(int idx, Color c, Score s) {
45       scores[idx][c][MG] = to_cp(mg_value(s));
46       scores[idx][c][EG] = to_cp(eg_value(s));
47     }
48
49     void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
50       add(idx, WHITE, w); add(idx, BLACK, b);
51     }
52
53     std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
54
55       if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == Term(PAWN) || t == TOTAL)
56           os << "  ---   --- |   ---   --- | ";
57       else
58           os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] << " "
59              << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] << " | "
60              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][MG] << " "
61              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][EG] << " | ";
62
63       os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] - scores[t][BLACK][MG] << " "
64          << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] - scores[t][BLACK][EG] << " \n";
65
66       return os;
67     }
68   }
69
70   using namespace Trace;
71
72   // Struct EvalInfo contains various information computed and collected
73   // by the evaluation functions.
74   struct EvalInfo {
75
76     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
77     // attacked by a given color and piece type (can be also ALL_PIECES).
78     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
79
80     // attackedBy2[color] are the squares attacked by 2 pieces of a given color,
81     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
82     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
83     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
84
85     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
86     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
87     // adjacent to the king, and the three (or two, for a king on an edge file)
88     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
89     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
90     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
91     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
92
93     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
94     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
95     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
96
97     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of the
98     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
99     // weights of the individual piece types are given by the elements in the
100     // KingAttackWeights array.
101     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
102
103     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks by the given
104     // color to squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack
105     // more than one square are counted multiple times. For instance, if there is
106     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
107     // to kingAdjacentZoneAttacksCount[WHITE].
108     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
109
110     Bitboard pinnedPieces[COLOR_NB];
111     Material::Entry* me;
112     Pawns::Entry* pi;
113   };
114
115   #define V(v) Value(v)
116   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
117
118   // MobilityBonus[PieceType][attacked] contains bonuses for middle and end
119   // game, indexed by piece type and number of attacked squares in the MobilityArea.
120   const Score MobilityBonus[][32] = {
121     {}, {},
122     { S(-75,-76), S(-56,-54), S( -9,-26), S( -2,-10), S(  6,  5), S( 15, 11), // Knights
123       S( 22, 26), S( 30, 28), S( 36, 29) },
124     { S(-48,-58), S(-21,-19), S( 16, -2), S( 26, 12), S( 37, 22), S( 51, 42), // Bishops
125       S( 54, 54), S( 63, 58), S( 65, 63), S( 71, 70), S( 79, 74), S( 81, 86),
126       S( 92, 90), S( 97, 94) },
127     { S(-56,-78), S(-25,-18), S(-11, 26), S( -5, 55), S( -4, 70), S( -1, 81), // Rooks
128       S(  8,109), S( 14,120), S( 21,128), S( 23,143), S( 31,154), S( 32,160),
129       S( 43,165), S( 49,168), S( 59,169) },
130     { S(-40,-35), S(-25,-12), S(  2,  7), S(  4, 19), S( 14, 37), S( 24, 55), // Queens
131       S( 25, 62), S( 40, 76), S( 43, 79), S( 47, 87), S( 54, 94), S( 56,102),
132       S( 60,111), S( 70,116), S( 72,118), S( 73,122), S( 75,128), S( 77,130),
133       S( 85,133), S( 94,136), S( 99,140), S(108,157), S(112,158), S(113,161),
134       S(118,174), S(119,177), S(123,191), S(128,199) }
135   };
136
137   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for knights and
138   // bishops outposts, bigger if outpost piece is supported by a pawn.
139   const Score Outpost[][2] = {
140     { S(43,11), S(65,20) }, // Knights
141     { S(20, 3), S(29, 8) }  // Bishops
142   };
143
144   // ReachableOutpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for
145   // knights and bishops which can reach an outpost square in one move, bigger
146   // if outpost square is supported by a pawn.
147   const Score ReachableOutpost[][2] = {
148     { S(21, 5), S(35, 8) }, // Knights
149     { S( 8, 0), S(14, 4) }  // Bishops
150   };
151
152   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is no
153   // friendly pawn on the rook file.
154   const Score RookOnFile[2] = { S(20, 7), S(45, 20) };
155
156   // ThreatBySafePawn[PieceType] contains bonuses according to which piece
157   // type is attacked by a pawn which is protected or is not attacked.
158   const Score ThreatBySafePawn[PIECE_TYPE_NB] = {
159     S(0, 0), S(0, 0), S(176, 139), S(131, 127), S(217, 218), S(203, 215)
160   };
161
162   // Threat[by minor/by rook][attacked PieceType] contains
163   // bonuses according to which piece type attacks which one.
164   // Attacks on lesser pieces which are pawn-defended are not considered.
165   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
166     { S(0, 0), S(0, 33), S(45, 43), S(46, 47), S(72,107), S(48,118) }, // by Minor
167     { S(0, 0), S(0, 25), S(40, 62), S(40, 59), S( 0, 34), S(35, 48) }  // by Rook
168   };
169
170   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for King attacks on
171   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
172   const Score ThreatByKing[2] = { S(3, 62), S(9, 138) };
173
174   // Passed[mg/eg][Rank] contains midgame and endgame bonuses for passed pawns.
175   // We don't use a Score because we process the two components independently.
176   const Value Passed[][RANK_NB] = {
177     { V(5), V( 5), V(31), V(73), V(166), V(252) },
178     { V(7), V(14), V(38), V(73), V(166), V(252) }
179   };
180
181   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
182   const Score PassedFile[FILE_NB] = {
183     S(  9, 10), S( 2, 10), S( 1, -8), S(-20,-12),
184     S(-20,-12), S( 1, -8), S( 2, 10), S( 9, 10)
185   };
186
187   // Assorted bonuses and penalties used by evaluation
188   const Score MinorBehindPawn     = S(16,  0);
189   const Score BishopPawns         = S( 8, 12);
190   const Score RookOnPawn          = S( 8, 24);
191   const Score TrappedRook         = S(92,  0);
192   const Score CloseEnemies        = S( 7,  0);
193   const Score SafeCheck           = S(20, 20);
194   const Score OtherCheck          = S(10, 10);
195   const Score ThreatByHangingPawn = S(71, 61);
196   const Score LooseEnemies        = S( 0, 25);
197   const Score WeakQueen           = S(35,  0);
198   const Score Hanging             = S(48, 27);
199   const Score ThreatByPawnPush    = S(38, 22);
200   const Score Unstoppable         = S( 0, 20);
201
202   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
203   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
204   // happen in Chess960 games.
205   const Score TrappedBishopA1H1 = S(50, 50);
206
207   #undef S
208   #undef V
209
210   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
211   const int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 78, 56, 45, 11 };
212
213   // Penalties for enemy's safe checks
214   const int QueenContactCheck = 997;
215   const int QueenCheck        = 695;
216   const int RookCheck         = 638;
217   const int BishopCheck       = 538;
218   const int KnightCheck       = 874;
219
220
221   // eval_init() initializes king and attack bitboards for a given color
222   // adding pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
223
224   template<Color Us>
225   void eval_init(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
226
227     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
228     const Square Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
229
230     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
231     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING];
232     ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] |= b;
233     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
234     ei.attackedBy2[Us] = ei.attackedBy[Us][PAWN] & ei.attackedBy[Us][KING];
235
236     // Init king safety tables only if we are going to use them
237     if (pos.non_pawn_material(Us) >= QueenValueMg)
238     {
239         ei.kingRing[Them] = b | shift<Down>(b);
240         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
241         ei.kingAttackersCount[Us] = popcount(b);
242         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
243     }
244     else
245         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
246   }
247
248
249   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given
250   // color and type.
251
252   template<bool DoTrace, Color Us = WHITE, PieceType Pt = KNIGHT>
253   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility,
254                         const Bitboard* mobilityArea) {
255     Bitboard b, bb;
256     Square s;
257     Score score = SCORE_ZERO;
258
259     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
260     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
261     const Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
262                                                : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
263     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
264
265     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
266
267     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
268     {
269         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
270         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
271           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
272                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
273
274         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
275             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
276
277         ei.attackedBy2[Us] |= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
278         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
279
280         if (b & ei.kingRing[Them])
281         {
282             ei.kingAttackersCount[Us]++;
283             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
284             ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount(b & ei.attackedBy[Them][KING]);
285         }
286
287         if (Pt == QUEEN)
288             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
289                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
290                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
291
292         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
293
294         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
295
296         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
297         {
298             // Bonus for outpost squares
299             bb = OutpostRanks & ~ei.pi->pawn_attacks_span(Them);
300             if (bb & s)
301                 score += Outpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & s)];
302             else
303             {
304                 bb &= b & ~pos.pieces(Us);
305                 if (bb)
306                    score += ReachableOutpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
307             }
308
309             // Bonus when behind a pawn
310             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
311                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
312                 score += MinorBehindPawn;
313
314             // Penalty for pawns on the same color square as the bishop
315             if (Pt == BISHOP)
316                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
317
318             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
319             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
320             // when that pawn is also blocked.
321             if (   Pt == BISHOP
322                 && pos.is_chess960()
323                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
324             {
325                 Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
326                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
327                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
328                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
329                                                                               : TrappedBishopA1H1;
330             }
331         }
332
333         if (Pt == ROOK)
334         {
335             // Bonus for aligning with enemy pawns on the same rank/file
336             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
337                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
338
339             // Bonus when on an open or semi-open file
340             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
341                 score += RookOnFile[!!ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s))];
342
343             // Penalize when trapped by the king, even more if the king cannot castle
344             else if (mob <= 3)
345             {
346                 Square ksq = pos.square<KING>(Us);
347
348                 if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
349                     && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
350                     && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
351                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
352             }
353         }
354
355         if (Pt == QUEEN)
356         {
357             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
358             Bitboard pinners;
359             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, pinners))
360                 score -= WeakQueen;
361         }
362     }
363
364     if (DoTrace)
365         Trace::add(Pt, Us, score);
366
367     // Recursively call evaluate_pieces() of next piece type until KING is excluded
368     return score - evaluate_pieces<DoTrace, Them, NextPt>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
369   }
370
371   template<>
372   Score evaluate_pieces<false, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
373   template<>
374   Score evaluate_pieces< true, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
375
376
377   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
378
379   const Bitboard WhiteCamp = Rank1BB | Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB | Rank5BB;
380   const Bitboard BlackCamp = Rank8BB | Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB | Rank4BB;
381   const Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
382   const Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
383   const Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
384
385   const Bitboard KingFlank[COLOR_NB][FILE_NB] = {
386     { QueenSide   & WhiteCamp, QueenSide & WhiteCamp, QueenSide & WhiteCamp, CenterFiles & WhiteCamp,
387       CenterFiles & WhiteCamp, KingSide  & WhiteCamp, KingSide  & WhiteCamp, KingSide    & WhiteCamp },
388     { QueenSide   & BlackCamp, QueenSide & BlackCamp, QueenSide & BlackCamp, CenterFiles & BlackCamp,
389       CenterFiles & BlackCamp, KingSide  & BlackCamp, KingSide  & BlackCamp, KingSide    & BlackCamp },
390   };
391
392   template<Color Us, bool DoTrace>
393   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
394
395     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
396     const Square  Up = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
397
398     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe, other;
399     int kingDanger;
400     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
401
402     // King shelter and enemy pawns storm
403     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
404
405     // Main king safety evaluation
406     if (ei.kingAttackersCount[Them])
407     {
408         // Find the attacked squares which are defended only by the king...
409         undefended =   ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
410                     &  ei.attackedBy[Us][KING]
411                     & ~ei.attackedBy2[Us];
412
413         // ... and those which are not defended at all in the larger king ring
414         b =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] & ~ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]
415            & ei.kingRing[Us] & ~pos.pieces(Them);
416
417         // Initialize the 'kingDanger' variable, which will be transformed
418         // later into a king danger score. The initial value is based on the
419         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
420         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
421         // the pawn shelter (current 'score' value).
422         kingDanger =  std::min(807, ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them])
423                     + 101 * ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them]
424                     + 235 * popcount(undefended)
425                     + 134 * (popcount(b) + !!ei.pinnedPieces[Us])
426                     - 717 * !pos.count<QUEEN>(Them)
427                     -   7 * mg_value(score) / 5 - 5;
428
429         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
430         // undefended squares around the king reachable by the enemy queen...
431         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
432
433         // ...and keep squares supported by another enemy piece
434         kingDanger += QueenContactCheck * popcount(b & ei.attackedBy2[Them]);
435
436         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move...
437         safe  = ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
438
439         // ... and some other potential checks, only requiring the square to be
440         // safe from pawn-attacks, and not being occupied by a blocked pawn.
441         other = ~(   ei.attackedBy[Us][PAWN]
442                   | (pos.pieces(Them, PAWN) & shift<Up>(pos.pieces(PAWN))));
443
444         b1 = pos.attacks_from<ROOK  >(ksq);
445         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq);
446
447         // Enemy queen safe checks
448         if ((b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & safe)
449             kingDanger += QueenCheck, score -= SafeCheck;
450
451         // For other pieces, also consider the square safe if attacked twice,
452         // and only defended by a queen.
453         safe |=  ei.attackedBy2[Them]
454                & ~(ei.attackedBy2[Us] | pos.pieces(Them))
455                & ei.attackedBy[Us][QUEEN];
456
457         // Enemy rooks safe and other checks
458         if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & safe)
459             kingDanger += RookCheck, score -= SafeCheck;
460
461         else if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & other)
462             score -= OtherCheck;
463
464         // Enemy bishops safe and other checks
465         if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & safe)
466             kingDanger += BishopCheck, score -= SafeCheck;
467
468         else if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & other)
469             score -= OtherCheck;
470
471         // Enemy knights safe and other checks
472         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT];
473         if (b & safe)
474             kingDanger += KnightCheck, score -= SafeCheck;
475
476         else if (b & other)
477             score -= OtherCheck;
478
479         // Compute the king danger score and subtract it from the evaluation
480         if (kingDanger > 0)
481             score -= make_score(std::min(kingDanger * kingDanger / 4096,  2 * int(BishopValueMg)), 0);
482     }
483
484     // King tropism: firstly, find squares that opponent attacks in our king flank
485     b = ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[Us][file_of(ksq)];
486
487     assert(((Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4) & b) == 0);
488     assert(popcount(Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4) == popcount(b));
489
490     // Secondly, add the squares which are attacked twice in that flank and
491     // which are not defended by our pawns.
492     b =  (Us == WHITE ? b << 4 : b >> 4)
493        | (b & ei.attackedBy2[Them] & ~ei.attackedBy[Us][PAWN]);
494
495     score -= CloseEnemies * popcount(b);
496
497     if (DoTrace)
498         Trace::add(KING, Us, score);
499
500     return score;
501   }
502
503
504   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the types of the attacking
505   // and the attacked pieces.
506
507   template<Color Us, bool DoTrace>
508   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
509
510     const Color Them        = (Us == WHITE ? BLACK      : WHITE);
511     const Square Up         = (Us == WHITE ? NORTH      : SOUTH);
512     const Square Left       = (Us == WHITE ? NORTH_WEST : SOUTH_EAST);
513     const Square Right      = (Us == WHITE ? NORTH_EAST : SOUTH_WEST);
514     const Bitboard TRank2BB = (Us == WHITE ? Rank2BB    : Rank7BB);
515     const Bitboard TRank7BB = (Us == WHITE ? Rank7BB    : Rank2BB);
516
517     enum { Minor, Rook };
518
519     Bitboard b, weak, defended, safeThreats;
520     Score score = SCORE_ZERO;
521
522     // Small bonus if the opponent has loose pawns or pieces
523     if (   (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, QUEEN, KING))
524         & ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]))
525         score += LooseEnemies;
526
527     // Non-pawn enemies attacked by a pawn
528     weak = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Us][PAWN];
529
530     if (weak)
531     {
532         b = pos.pieces(Us, PAWN) & ( ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
533                                     | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
534
535         safeThreats = (shift<Right>(b) | shift<Left>(b)) & weak;
536
537         if (weak ^ safeThreats)
538             score += ThreatByHangingPawn;
539
540         while (safeThreats)
541             score += ThreatBySafePawn[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&safeThreats)))];
542     }
543
544     // Non-pawn enemies defended by a pawn
545     defended = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Them][PAWN];
546
547     // Enemies not defended by a pawn and under our attack
548     weak =   pos.pieces(Them)
549           & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
550           &  ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
551
552     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
553     if (defended | weak)
554     {
555         b = (defended | weak) & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
556         while (b)
557             score += Threat[Minor][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
558
559         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & ei.attackedBy[Us][ROOK];
560         while (b)
561             score += Threat[Rook ][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
562
563         score += Hanging * popcount(weak & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
564
565         b = weak & ei.attackedBy[Us][KING];
566         if (b)
567             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
568     }
569
570     // Bonus if some pawns can safely push and attack an enemy piece
571     b = pos.pieces(Us, PAWN) & ~TRank7BB;
572     b = shift<Up>(b | (shift<Up>(b & TRank2BB) & ~pos.pieces()));
573
574     b &=  ~pos.pieces()
575         & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
576         & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
577
578     b =  (shift<Left>(b) | shift<Right>(b))
579        &  pos.pieces(Them)
580        & ~ei.attackedBy[Us][PAWN];
581
582     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
583
584     if (DoTrace)
585         Trace::add(THREAT, Us, score);
586
587     return score;
588   }
589
590
591   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
592
593   template<Color Us, bool DoTrace>
594   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
595
596     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
597
598     Bitboard b, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
599     Score score = SCORE_ZERO;
600
601     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
602
603     while (b)
604     {
605         Square s = pop_lsb(&b);
606
607         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
608         assert(!(pos.pieces(PAWN) & forward_bb(Us, s)));
609
610         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
611         int rr = r * (r - 1);
612
613         Value mbonus = Passed[MG][r], ebonus = Passed[EG][r];
614
615         if (rr)
616         {
617             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
618
619             // Adjust bonus based on the king's proximity
620             ebonus +=  distance(pos.square<KING>(Them), blockSq) * 5 * rr
621                      - distance(pos.square<KING>(Us  ), blockSq) * 2 * rr;
622
623             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
624             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
625                 ebonus -= distance(pos.square<KING>(Us), blockSq + pawn_push(Us)) * rr;
626
627             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
628             if (pos.empty(blockSq))
629             {
630                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
631                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
632                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
633                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
634
635                 Bitboard bb = forward_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
636
637                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
638                     defendedSquares &= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
639
640                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
641                     unsafeSquares &= ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
642
643                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
644                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
645                 int k = !unsafeSquares ? 18 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 8 : 0;
646
647                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
648                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
649                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
650                     k += 6;
651
652                 else if (defendedSquares & blockSq)
653                     k += 4;
654
655                 mbonus += k * rr, ebonus += k * rr;
656             }
657             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
658                 mbonus += rr + r * 2, ebonus += rr + r * 2;
659         } // rr != 0
660
661         score += make_score(mbonus, ebonus) + PassedFile[file_of(s)];
662     }
663
664     if (DoTrace)
665         Trace::add(PASSED, Us, score);
666
667     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
668     return score;
669   }
670
671
672   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
673   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
674   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
675   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
676   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
677   // improve play on game opening.
678   template<Color Us>
679   Score evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
680
681     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
682     const Bitboard SpaceMask =
683       Us == WHITE ? (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
684                   : (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
685
686     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
687     // SpaceMask. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
688     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
689     Bitboard safe =   SpaceMask
690                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
691                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
692                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
693
694     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
695     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
696     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
697     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
698
699     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board...
700     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
701
702     // ...count safe + (behind & safe) with a single popcount
703     int bonus = popcount((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
704     bonus = std::min(16, bonus);
705     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * ei.pi->open_files();
706
707     return make_score(bonus * weight * weight / 18, 0);
708   }
709
710
711   // evaluate_initiative() computes the initiative correction value for the
712   // position, i.e., second order bonus/malus based on the known attacking/defending
713   // status of the players.
714   Score evaluate_initiative(const Position& pos, int asymmetry, Value eg) {
715
716     int kingDistance =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
717                       - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
718     int pawns = pos.count<PAWN>(WHITE) + pos.count<PAWN>(BLACK);
719
720     // Compute the initiative bonus for the attacking side
721     int initiative = 8 * (asymmetry + kingDistance - 15) + 12 * pawns;
722
723     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
724     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
725     // that the endgame score will never be divided by more than two.
726     int value = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(initiative, -abs(eg / 2));
727
728     return make_score(0, value);
729   }
730
731
732   // evaluate_scale_factor() computes the scale factor for the winning side
733   ScaleFactor evaluate_scale_factor(const Position& pos, const EvalInfo& ei, Value eg) {
734
735     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
736     ScaleFactor sf = ei.me->scale_factor(pos, strongSide);
737
738     // If we don't already have an unusual scale factor, check for certain
739     // types of endgames, and use a lower scale for those.
740     if (    ei.me->game_phase() < PHASE_MIDGAME
741         && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
742     {
743         if (pos.opposite_bishops())
744         {
745             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces (ignoring pawns)
746             // is almost a draw, in case of KBP vs KB, it is even more a draw.
747             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
748                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
749                 sf = more_than_one(pos.pieces(PAWN)) ? ScaleFactor(31) : ScaleFactor(9);
750
751             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
752             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
753             else
754                 sf = ScaleFactor(46);
755         }
756         // Endings where weaker side can place his king in front of the opponent's
757         // pawns are drawish.
758         else if (    abs(eg) <= BishopValueEg
759                  &&  pos.count<PAWN>(strongSide) <= 2
760                  && !pos.pawn_passed(~strongSide, pos.square<KING>(~strongSide)))
761             sf = ScaleFactor(37 + 7 * pos.count<PAWN>(strongSide));
762     }
763
764     return sf;
765   }
766
767 } // namespace
768
769
770 /// evaluate() is the main evaluation function. It returns a static evaluation
771 /// of the position from the point of view of the side to move.
772
773 template<bool DoTrace>
774 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
775
776   assert(!pos.checkers());
777
778   Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
779   EvalInfo ei;
780
781   // Probe the material hash table
782   ei.me = Material::probe(pos);
783
784   // If we have a specialized evaluation function for the current material
785   // configuration, call it and return.
786   if (ei.me->specialized_eval_exists())
787       return ei.me->evaluate(pos);
788
789   // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
790   // the position object (material + piece square tables) and the material
791   // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
792   Score score = pos.psq_score() + ei.me->imbalance();
793
794   // Probe the pawn hash table
795   ei.pi = Pawns::probe(pos);
796   score += ei.pi->pawns_score();
797
798   // Initialize attack and king safety bitboards
799   ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] = 0;
800   ei.attackedBy[WHITE][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(WHITE));
801   ei.attackedBy[BLACK][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(BLACK));
802   eval_init<WHITE>(pos, ei);
803   eval_init<BLACK>(pos, ei);
804
805   // Pawns blocked or on ranks 2 and 3 will be excluded from the mobility area
806   Bitboard blockedPawns[] = {
807     pos.pieces(WHITE, PAWN) & (shift<SOUTH>(pos.pieces()) | Rank2BB | Rank3BB),
808     pos.pieces(BLACK, PAWN) & (shift<NORTH>(pos.pieces()) | Rank7BB | Rank6BB)
809   };
810
811   // Do not include in mobility area squares protected by enemy pawns, or occupied
812   // by our blocked pawns or king.
813   Bitboard mobilityArea[] = {
814     ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | blockedPawns[WHITE] | pos.square<KING>(WHITE)),
815     ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | blockedPawns[BLACK] | pos.square<KING>(BLACK))
816   };
817
818   // Evaluate all pieces but king and pawns
819   score += evaluate_pieces<DoTrace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
820   score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
821
822   // Evaluate kings after all other pieces because we need full attack
823   // information when computing the king safety evaluation.
824   score +=  evaluate_king<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
825           - evaluate_king<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
826
827   // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
828   score +=  evaluate_threats<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
829           - evaluate_threats<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
830
831   // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
832   score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
833           - evaluate_passed_pawns<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
834
835   // If both sides have only pawns, score for potential unstoppable pawns
836   if (!pos.non_pawn_material(WHITE) && !pos.non_pawn_material(BLACK))
837   {
838       Bitboard b;
839       if ((b = ei.pi->passed_pawns(WHITE)) != 0)
840           score += Unstoppable * int(relative_rank(WHITE, frontmost_sq(WHITE, b)));
841
842       if ((b = ei.pi->passed_pawns(BLACK)) != 0)
843           score -= Unstoppable * int(relative_rank(BLACK, frontmost_sq(BLACK, b)));
844   }
845
846   // Evaluate space for both sides, only during opening
847   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >= 12222)
848       score +=  evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
849               - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
850
851   // Evaluate position potential for the winning side
852   score += evaluate_initiative(pos, ei.pi->pawn_asymmetry(), eg_value(score));
853
854   // Evaluate scale factor for the winning side
855   ScaleFactor sf = evaluate_scale_factor(pos, ei, eg_value(score));
856
857   // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
858   Value v =  mg_value(score) * int(ei.me->game_phase())
859            + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - ei.me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
860
861   v /= int(PHASE_MIDGAME);
862
863   // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
864   if (DoTrace)
865   {
866       Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
867       Trace::add(IMBALANCE, ei.me->imbalance());
868       Trace::add(PAWN, ei.pi->pawns_score());
869       Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
870       Trace::add(SPACE, evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
871                       , evaluate_space<BLACK>(pos, ei));
872       Trace::add(TOTAL, score);
873   }
874
875   return (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Eval::Tempo; // Side to move point of view
876 }
877
878 // Explicit template instantiations
879 template Value Eval::evaluate<true >(const Position&);
880 template Value Eval::evaluate<false>(const Position&);
881
882
883 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
884 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
885 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
886
887 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
888
889   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
890
891   Value v = evaluate<true>(pos);
892   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
893
894   std::stringstream ss;
895   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
896      << "      Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
897      << "                |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
898      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
899      << "       Material | " << Term(MATERIAL)
900      << "      Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
901      << "          Pawns | " << Term(PAWN)
902      << "        Knights | " << Term(KNIGHT)
903      << "         Bishop | " << Term(BISHOP)
904      << "          Rooks | " << Term(ROOK)
905      << "         Queens | " << Term(QUEEN)
906      << "       Mobility | " << Term(MOBILITY)
907      << "    King safety | " << Term(KING)
908      << "        Threats | " << Term(THREAT)
909      << "   Passed pawns | " << Term(PASSED)
910      << "          Space | " << Term(SPACE)
911      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
912      << "          Total | " << Term(TOTAL);
913
914   ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
915
916   return ss.str();
917 }