Consolidate pawn storm types
[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(18, 23), S(74, 58), S(164, 166), S(268, 243)
150   };
151
152   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
153   constexpr Score PassedFile[FILE_NB] = {
154     S( 15,  7), S(-5, 14), S( 1, -5), S(-22,-11),
155     S(-22,-11), S( 1, -5), S(-5, 14), S( 15,  7)
156   };
157
158   // PassedDanger[Rank] contains a term to weight the passed score
159   constexpr int PassedDanger[RANK_NB] = { 0, 0, 0, 3, 6, 12, 21 };
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(  3,  5);
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 Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
298     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
299                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
300     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
301
302     Bitboard b, bb;
303     Square s;
304     Score score = SCORE_ZERO;
305
306     attackedBy[Us][Pt] = 0;
307
308     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
309     {
310         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
311         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
312           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
313                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
314
315         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
316             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
317
318         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
319         attackedBy[Us][Pt] |= b;
320         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
321
322         if (b & kingRing[Them])
323         {
324             kingAttackersCount[Us]++;
325             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
326             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
327         }
328
329         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
330
331         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
332
333         // Penalty if the piece is far from the king
334         score -= KingProtector[Pt - 2] * distance(s, pos.square<KING>(Us));
335
336         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
337         {
338             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
339             bb = OutpostRanks & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
340             if (bb & s)
341                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & s)] * 2;
342
343             else if (bb &= b & ~pos.pieces(Us))
344                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
345
346             // Bonus when behind a pawn
347             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
348                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
349                 score += MinorBehindPawn;
350
351             if (Pt == BISHOP)
352             {
353                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
354                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
355                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
356
357                 score -= BishopPawns * pe->pawns_on_same_color_squares(Us, s)
358                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
359
360                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
361                 if (more_than_one(Center & (attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) | s)))
362                     score += LongDiagonalBishop;
363             }
364
365             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
366             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
367             // when that pawn is also blocked.
368             if (   Pt == BISHOP
369                 && pos.is_chess960()
370                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
371             {
372                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
373                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
374                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
375                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
376                                                                               : CorneredBishop;
377             }
378         }
379
380         if (Pt == ROOK)
381         {
382             // Bonus for aligning rook with enemy pawns on the same rank/file
383             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
384                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
385
386             // Bonus for rook on an open or semi-open file
387             if (pe->semiopen_file(Us, file_of(s)))
388                 score += RookOnFile[bool(pe->semiopen_file(Them, file_of(s)))];
389
390             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
391             else if (mob <= 3)
392             {
393                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
394                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
395                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
396             }
397         }
398
399         if (Pt == QUEEN)
400         {
401             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
402             Bitboard queenPinners;
403             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
404                 score -= WeakQueen;
405         }
406     }
407     if (T)
408         Trace::add(Pt, Us, score);
409
410     return score;
411   }
412
413
414   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
415   template<Tracing T> template<Color Us>
416   Score Evaluation<T>::king() const {
417
418     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
419     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
420                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
421
422     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
423     Bitboard weak, b, b1, b2, safe, unsafeChecks, pinned;
424
425     // King shelter and enemy pawns storm
426     Score score = pe->king_safety<Us>(pos, ksq);
427
428     // Main king safety evaluation
429     if (kingAttackersCount[Them] > 1 - pos.count<QUEEN>(Them))
430     {
431         int kingDanger = 0;
432         unsafeChecks = 0;
433
434         // Attacked squares defended at most once by our queen or king
435         weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
436               & ~attackedBy2[Us]
437               & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
438
439         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
440         safe  = ~pos.pieces(Them);
441         safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
442
443         b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
444         b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
445
446         // Enemy queen safe checks
447         if ((b1 | b2) & attackedBy[Them][QUEEN] & safe & ~attackedBy[Us][QUEEN])
448             kingDanger += QueenSafeCheck;
449
450         b1 &= attackedBy[Them][ROOK];
451         b2 &= attackedBy[Them][BISHOP];
452
453         // Enemy rooks checks
454         if (b1 & safe)
455             kingDanger += RookSafeCheck;
456         else
457             unsafeChecks |= b1;
458
459         // Enemy bishops checks
460         if (b2 & safe)
461             kingDanger += BishopSafeCheck;
462         else
463             unsafeChecks |= b2;
464
465         // Enemy knights checks
466         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
467         if (b & safe)
468             kingDanger += KnightSafeCheck;
469         else
470             unsafeChecks |= b;
471
472         // Unsafe or occupied checking squares will also be considered, as long as
473         // the square is in the attacker's mobility area.
474         unsafeChecks &= mobilityArea[Them];
475         pinned = pos.blockers_for_king(Us) & pos.pieces(Us);
476
477         kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
478                      + 102 * kingAttacksCount[Them]
479                      + 191 * popcount(kingRing[Us] & weak)
480                      + 143 * popcount(pinned | unsafeChecks)
481                      - 848 * !pos.count<QUEEN>(Them)
482                      -   9 * mg_value(score) / 8
483                      +  40;
484
485         // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
486         if (kingDanger > 0)
487         {
488             int mobilityDanger = mg_value(mobility[Them] - mobility[Us]);
489             kingDanger = std::max(0, kingDanger + mobilityDanger);
490             score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
491         }
492     }
493
494     Bitboard kf = KingFlank[file_of(ksq)];
495
496     // Penalty when our king is on a pawnless flank
497     if (!(pos.pieces(PAWN) & kf))
498         score -= PawnlessFlank;
499
500     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
501     // which are attacked twice in that flank but not defended by our pawns.
502     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & kf & Camp;
503     b2 = b1 & attackedBy2[Them] & ~attackedBy[Us][PAWN];
504
505     // King tropism, to anticipate slow motion attacks on our king
506     score -= CloseEnemies * (popcount(b1) + popcount(b2));
507
508     if (T)
509         Trace::add(KING, Us, score);
510
511     return score;
512   }
513
514
515   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
516   // attacking and the attacked pieces.
517   template<Tracing T> template<Color Us>
518   Score Evaluation<T>::threats() const {
519
520     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
521     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
522     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
523
524     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safeThreats;
525     Score score = SCORE_ZERO;
526
527     // Non-pawn enemies
528     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN);
529
530     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
531     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
532     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
533                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
534
535     // Non-pawn enemies, strongly protected
536     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
537
538     // Enemies not strongly protected and under our attack
539     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
540
541     // Bonus according to the kind of attacking pieces
542     if (defended | weak)
543     {
544         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
545         while (b)
546         {
547             Square s = pop_lsb(&b);
548             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
549             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
550                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
551         }
552
553         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & attackedBy[Us][ROOK];
554         while (b)
555         {
556             Square s = pop_lsb(&b);
557             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
558             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
559                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
560         }
561
562         b = weak & attackedBy[Us][KING];
563         if (b)
564             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
565
566         score += Hanging * popcount(weak & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
567
568         // Bonus for overload (non-pawn enemies attacked and defended exactly once)
569         b =  nonPawnEnemies
570            & attackedBy[Us][ALL_PIECES]   & ~attackedBy2[Us]
571            & attackedBy[Them][ALL_PIECES] & ~attackedBy2[Them];
572         score += Overload * popcount(b);
573     }
574
575     // Bonus for enemy unopposed weak pawns
576     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
577         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
578
579     // Our safe or protected pawns
580     b =   pos.pieces(Us, PAWN)
581        & (~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
582
583     safeThreats = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
584     score += ThreatBySafePawn * popcount(safeThreats);
585
586     // Find squares where our pawns can push on the next move
587     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
588     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
589
590     // Keep only the squares which are not completely unsafe
591     b &= ~attackedBy[Them][PAWN]
592         & (attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
593
594     // Bonus for safe pawn threats on the next move
595     b =   pawn_attacks_bb<Us>(b)
596        &  pos.pieces(Them)
597        & ~attackedBy[Us][PAWN];
598
599     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
600
601     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
602     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
603     {
604         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
605         safeThreats = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
606
607         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
608
609         score += KnightOnQueen * popcount(b & safeThreats);
610
611         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
612            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
613
614         score += SliderOnQueen * popcount(b & safeThreats & attackedBy2[Us]);
615     }
616
617     // Connectivity: ensure that knights, bishops, rooks, and queens are protected
618     b = (pos.pieces(Us) ^ pos.pieces(Us, PAWN, KING)) & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
619     score += Connectivity * popcount(b);
620
621     if (T)
622         Trace::add(THREAT, Us, score);
623
624     return score;
625   }
626
627   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
628   // pawns of the given color.
629
630   template<Tracing T> template<Color Us>
631   Score Evaluation<T>::passed() const {
632
633     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
634     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
635
636     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
637       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
638     };
639
640     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
641     Score score = SCORE_ZERO;
642
643     b = pe->passed_pawns(Us);
644
645     while (b)
646     {
647         Square s = pop_lsb(&b);
648
649         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
650
651         bb = forward_file_bb(Us, s) & (attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
652         score -= HinderPassedPawn * popcount(bb);
653
654         int r = relative_rank(Us, s);
655         int w = PassedDanger[r];
656
657         Score bonus = PassedRank[r];
658
659         if (w)
660         {
661             Square blockSq = s + Up;
662
663             // Adjust bonus based on the king's proximity
664             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
665                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
666
667             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
668             if (r != RANK_7)
669                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
670
671             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
672             if (pos.empty(blockSq))
673             {
674                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
675                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
676                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
677                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
678
679                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
680
681                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
682                     defendedSquares &= attackedBy[Us][ALL_PIECES];
683
684                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
685                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
686
687                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
688                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
689                 int k = !unsafeSquares ? 20 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
690
691                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
692                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
693                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
694                     k += 6;
695
696                 else if (defendedSquares & blockSq)
697                     k += 4;
698
699                 bonus += make_score(k * w, k * w);
700             }
701             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
702                 bonus += make_score(w + r * 2, w + r * 2);
703         } // w != 0
704
705         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
706         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
707         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
708             || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
709             bonus = bonus / 2;
710
711         score += bonus + PassedFile[file_of(s)];
712     }
713
714     if (T)
715         Trace::add(PASSED, Us, score);
716
717     return score;
718   }
719
720
721   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
722   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
723   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
724   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
725   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
726   // improve play on game opening.
727
728   template<Tracing T> template<Color Us>
729   Score Evaluation<T>::space() const {
730
731     constexpr Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
732     constexpr Bitboard SpaceMask =
733       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
734                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
735
736     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
737         return SCORE_ZERO;
738
739     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
740     Bitboard safe =   SpaceMask
741                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
742                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
743
744     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
745     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
746     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
747     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
748
749     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe);
750     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * pe->open_files();
751
752     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
753
754     if (T)
755         Trace::add(SPACE, Us, score);
756
757     return score;
758   }
759
760
761   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
762   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
763   // known attacking/defending status of the players.
764
765   template<Tracing T>
766   Score Evaluation<T>::initiative(Value eg) const {
767
768     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
769                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
770
771     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
772                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
773
774     // Compute the initiative bonus for the attacking side
775     int complexity =   8 * outflanking
776                     +  8 * pe->pawn_asymmetry()
777                     + 12 * pos.count<PAWN>()
778                     + 16 * pawnsOnBothFlanks
779                     + 48 * !pos.non_pawn_material()
780                     -136 ;
781
782     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
783     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
784     // that the endgame score will never change sign after the bonus.
785     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
786
787     if (T)
788         Trace::add(INITIATIVE, make_score(0, v));
789
790     return make_score(0, v);
791   }
792
793
794   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
795
796   template<Tracing T>
797   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
798
799     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
800     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
801
802     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
803     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
804     {
805         if (pos.opposite_bishops())
806         {
807             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces is almost a draw
808             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
809                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
810                 sf = 31;
811
812             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
813             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
814             else
815                 sf = 46;
816         }
817         else
818             sf = std::min(40 + 7 * pos.count<PAWN>(strongSide), sf);
819     }
820
821     return ScaleFactor(sf);
822   }
823
824
825   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
826   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
827   // of view of the side to move.
828
829   template<Tracing T>
830   Value Evaluation<T>::value() {
831
832     assert(!pos.checkers());
833
834     // Probe the material hash table
835     me = Material::probe(pos);
836
837     // If we have a specialized evaluation function for the current material
838     // configuration, call it and return.
839     if (me->specialized_eval_exists())
840         return me->evaluate(pos);
841
842     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
843     // the position object (material + piece square tables) and the material
844     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
845     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
846
847     // Probe the pawn hash table
848     pe = Pawns::probe(pos);
849     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
850
851     // Early exit if score is high
852     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
853     if (abs(v) > LazyThreshold)
854        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
855
856     // Main evaluation begins here
857
858     initialize<WHITE>();
859     initialize<BLACK>();
860
861     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
862     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
863             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
864             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
865             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
866
867     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
868
869     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
870             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
871             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
872             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
873
874     score += initiative(eg_value(score));
875
876     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
877     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
878     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
879        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
880
881     v /= int(PHASE_MIDGAME);
882
883     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
884     if (T)
885     {
886         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
887         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
888         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
889         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
890         Trace::add(TOTAL, score);
891     }
892
893     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
894            + Eval::Tempo;
895   }
896
897 } // namespace
898
899
900 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
901 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
902
903 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
904   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
905 }
906
907
908 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
909 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
910 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
911
912 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
913
914   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
915
916   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
917
918   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
919
920   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
921
922   std::stringstream ss;
923   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
924      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
925      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
926      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
927      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
928      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
929      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
930      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
931      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
932      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
933      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
934      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
935      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
936      << " King safety | " << Term(KING)
937      << "     Threats | " << Term(THREAT)
938      << "      Passed | " << Term(PASSED)
939      << "       Space | " << Term(SPACE)
940      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
941      << "       Total | " << Term(TOTAL);
942
943   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
944
945   return ss.str();
946 }