Cap space evaluation bonus
[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   // Threat[by minor/by rook][attacked PieceType] contains
162   // bonuses according to which piece type attacks which one.
163   // Attacks on lesser pieces which are pawn-defended are not considered.
164   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
165     { S(0, 0), S(0, 33), S(45, 43), S(46, 47), S(72,107), S(48,118) }, // by Minor
166     { S(0, 0), S(0, 25), S(40, 62), S(40, 59), S( 0, 34), S(35, 48) }  // by Rook
167   };
168
169   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for King attacks on
170   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
171   const Score ThreatByKing[2] = { S(3, 62), S(9, 138) };
172
173   // Passed[mg/eg][Rank] contains midgame and endgame bonuses for passed pawns.
174   // We don't use a Score because we process the two components independently.
175   const Value Passed[][RANK_NB] = {
176     { V(5), V( 5), V(31), V(73), V(166), V(252) },
177     { V(7), V(14), V(38), V(73), V(166), V(252) }
178   };
179
180   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
181   const Score PassedFile[FILE_NB] = {
182     S(  9, 10), S( 2, 10), S( 1, -8), S(-20,-12),
183     S(-20,-12), S( 1, -8), S( 2, 10), S( 9, 10)
184   };
185
186   // Assorted bonuses and penalties used by evaluation
187   const Score MinorBehindPawn     = S(16,  0);
188   const Score BishopPawns         = S( 8, 12);
189   const Score RookOnPawn          = S( 8, 24);
190   const Score TrappedRook         = S(92,  0);
191   const Score SafeCheck           = S(20, 20);
192   const Score OtherCheck          = S(10, 10);
193   const Score ThreatByHangingPawn = S(71, 61);
194   const Score LooseEnemies        = S( 0, 25);
195   const Score WeakQueen           = S(35,  0);
196   const Score Hanging             = S(48, 27);
197   const Score ThreatByPawnPush    = S(38, 22);
198   const Score Unstoppable         = S( 0, 20);
199
200   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
201   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
202   // happen in Chess960 games.
203   const Score TrappedBishopA1H1 = S(50, 50);
204
205   #undef S
206   #undef V
207
208   // King danger constants and variables. The king danger scores are looked-up
209   // in KingDanger[]. Various little "meta-bonuses" measuring the strength
210   // of the enemy attack are added up into an integer, which is used as an
211   // index to KingDanger[].
212   Score KingDanger[512];
213
214   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
215   const int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 7, 5, 4, 1 };
216
217   // Penalties for enemy's safe checks
218   const int QueenContactCheck = 89;
219   const int QueenCheck        = 62;
220   const int RookCheck         = 57;
221   const int BishopCheck       = 48;
222   const int KnightCheck       = 78;
223
224
225   // eval_init() initializes king and attack bitboards for a given color
226   // adding pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
227
228   template<Color Us>
229   void eval_init(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
230
231     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
232     const Square Down = (Us == WHITE ? DELTA_S : DELTA_N);
233
234     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
235     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING];
236     ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] |= b;
237     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
238     ei.attackedBy2[Us] = ei.attackedBy[Us][PAWN] & ei.attackedBy[Us][KING];
239
240     // Init king safety tables only if we are going to use them
241     if (pos.non_pawn_material(Us) >= QueenValueMg)
242     {
243         ei.kingRing[Them] = b | shift_bb<Down>(b);
244         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
245         ei.kingAttackersCount[Us] = popcount(b);
246         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
247     }
248     else
249         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
250   }
251
252
253   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given
254   // color and type.
255
256   template<bool DoTrace, Color Us = WHITE, PieceType Pt = KNIGHT>
257   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility,
258                         const Bitboard* mobilityArea) {
259     Bitboard b, bb;
260     Square s;
261     Score score = SCORE_ZERO;
262
263     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
264     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
265     const Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
266                                                : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
267     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
268
269     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
270
271     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
272     {
273         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
274         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
275           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
276                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
277
278         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
279             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
280
281         ei.attackedBy2[Us] |= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
282         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
283
284         if (b & ei.kingRing[Them])
285         {
286             ei.kingAttackersCount[Us]++;
287             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
288             ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount(b & ei.attackedBy[Them][KING]);
289         }
290
291         if (Pt == QUEEN)
292             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
293                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
294                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
295
296         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
297
298         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
299
300         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
301         {
302             // Bonus for outpost squares
303             bb = OutpostRanks & ~ei.pi->pawn_attacks_span(Them);
304             if (bb & s)
305                 score += Outpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & s)];
306             else
307             {
308                 bb &= b & ~pos.pieces(Us);
309                 if (bb)
310                    score += ReachableOutpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
311             }
312
313             // Bonus when behind a pawn
314             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
315                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
316                 score += MinorBehindPawn;
317
318             // Penalty for pawns on the same color square as the bishop
319             if (Pt == BISHOP)
320                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
321
322             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
323             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
324             // when that pawn is also blocked.
325             if (   Pt == BISHOP
326                 && pos.is_chess960()
327                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
328             {
329                 Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? DELTA_E : DELTA_W);
330                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
331                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
332                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
333                                                                               : TrappedBishopA1H1;
334             }
335         }
336
337         if (Pt == ROOK)
338         {
339             // Bonus for aligning with enemy pawns on the same rank/file
340             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
341                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
342
343             // Bonus when on an open or semi-open file
344             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
345                 score += RookOnFile[!!ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s))];
346
347             // Penalize when trapped by the king, even more if the king cannot castle
348             else if (mob <= 3)
349             {
350                 Square ksq = pos.square<KING>(Us);
351
352                 if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
353                     && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
354                     && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
355                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
356             }
357         }
358
359         if (Pt == QUEEN)
360         {
361             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
362             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(), pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s))
363                 score -= WeakQueen;
364         }
365     }
366
367     if (DoTrace)
368         Trace::add(Pt, Us, score);
369
370     // Recursively call evaluate_pieces() of next piece type until KING is excluded
371     return score - evaluate_pieces<DoTrace, Them, NextPt>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
372   }
373
374   template<>
375   Score evaluate_pieces<false, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
376   template<>
377   Score evaluate_pieces< true, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
378
379
380   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
381
382   template<Color Us, bool DoTrace>
383   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
384
385     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
386     const Square  Up = (Us == WHITE ? DELTA_N : DELTA_S);
387
388     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe, other;
389     int attackUnits;
390     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
391
392     // King shelter and enemy pawns storm
393     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
394
395     // Main king safety evaluation
396     if (ei.kingAttackersCount[Them])
397     {
398         // Find the attacked squares which are defended only by the king...
399         undefended =   ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
400                     &  ei.attackedBy[Us][KING]
401                     & ~ei.attackedBy2[Us];
402
403         // ... and those which are not defended at all in the larger king ring
404         b =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] & ~ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]
405            & ei.kingRing[Us] & ~pos.pieces(Them);
406
407         // Initialize the 'attackUnits' variable, which is used later on as an
408         // index into the KingDanger[] array. The initial value is based on the
409         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
410         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
411         // the pawn shelter (current 'score' value).
412         attackUnits =  std::min(72, ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them])
413                      +  9 * ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them]
414                      + 21 * popcount(undefended)
415                      + 12 * (popcount(b) + !!ei.pinnedPieces[Us])
416                      - 64 * !pos.count<QUEEN>(Them)
417                      - mg_value(score) / 8;
418
419         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
420         // undefended squares around the king reachable by the enemy queen...
421         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
422
423         // ...and keep squares supported by another enemy piece
424         attackUnits += QueenContactCheck * popcount(b & ei.attackedBy2[Them]);
425
426         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move...
427         safe  = ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
428
429         // ... and some other potential checks, only requiring the square to be
430         // safe from pawn-attacks, and not being occupied by a blocked pawn.
431         other = ~(   ei.attackedBy[Us][PAWN]
432                   | (pos.pieces(Them, PAWN) & shift_bb<Up>(pos.pieces(PAWN))));
433
434         b1 = pos.attacks_from<ROOK  >(ksq);
435         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq);
436
437         // Enemy queen safe checks
438         if ((b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & safe)
439             attackUnits += QueenCheck, score -= SafeCheck;
440
441         // For other pieces, also consider the square safe if attacked twice,
442         // and only defended by a queen.
443         safe |=  ei.attackedBy2[Them]
444                & ~(ei.attackedBy2[Us] | pos.pieces(Them))
445                & ei.attackedBy[Us][QUEEN];
446
447         // Enemy rooks safe and other checks
448         if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & safe)
449             attackUnits += RookCheck, score -= SafeCheck;
450
451         else if (b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK] & other)
452             score -= OtherCheck;
453
454         // Enemy bishops safe and other checks
455         if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & safe)
456             attackUnits += BishopCheck, score -= SafeCheck;
457
458         else if (b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP] & other)
459             score -= OtherCheck;
460
461         // Enemy knights safe and other checks
462         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT];
463         if (b & safe)
464             attackUnits += KnightCheck, score -= SafeCheck;
465
466         else if (b & other)
467             score -= OtherCheck;
468
469         // Finally, extract the king danger score from the KingDanger[]
470         // array and subtract the score from the evaluation.
471         score -= KingDanger[std::max(std::min(attackUnits, 399), 0)];
472     }
473
474     if (DoTrace)
475         Trace::add(KING, Us, score);
476
477     return score;
478   }
479
480
481   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the types of the attacking
482   // and the attacked pieces.
483
484   const Bitboard WhiteCamp = Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB | Rank7BB | Rank8BB;
485   const Bitboard BlackCamp = Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB | Rank2BB | Rank1BB;
486   const Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
487   const Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
488   const Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
489
490   const Bitboard KingFlank[COLOR_NB][FILE_NB] = {
491     { QueenSide   & WhiteCamp, QueenSide & WhiteCamp, QueenSide & WhiteCamp, CenterFiles & WhiteCamp,
492       CenterFiles & WhiteCamp, KingSide  & WhiteCamp, KingSide  & WhiteCamp, KingSide    & WhiteCamp },
493     { QueenSide   & BlackCamp, QueenSide & BlackCamp, QueenSide & BlackCamp, CenterFiles & BlackCamp,
494       CenterFiles & BlackCamp, KingSide  & BlackCamp, KingSide  & BlackCamp, KingSide    & BlackCamp },
495   };
496
497   template<Color Us, bool DoTrace>
498   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
499
500     const Color Them        = (Us == WHITE ? BLACK    : WHITE);
501     const Square Up         = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
502     const Square Left       = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
503     const Square Right      = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
504     const Bitboard TRank2BB = (Us == WHITE ? Rank2BB  : Rank7BB);
505     const Bitboard TRank7BB = (Us == WHITE ? Rank7BB  : Rank2BB);
506
507     enum { Minor, Rook };
508
509     Bitboard b, weak, defended, safeThreats;
510     Score score = SCORE_ZERO;
511
512     // Small bonus if the opponent has loose pawns or pieces
513     if (   (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, QUEEN, KING))
514         & ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]))
515         score += LooseEnemies;
516
517     // Non-pawn enemies attacked by a pawn
518     weak = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Us][PAWN];
519
520     if (weak)
521     {
522         b = pos.pieces(Us, PAWN) & ( ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
523                                     | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
524
525         safeThreats = (shift_bb<Right>(b) | shift_bb<Left>(b)) & weak;
526
527         if (weak ^ safeThreats)
528             score += ThreatByHangingPawn;
529
530         while (safeThreats)
531             score += ThreatBySafePawn[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&safeThreats)))];
532     }
533
534     // Non-pawn enemies defended by a pawn
535     defended = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Them][PAWN];
536
537     // Enemies not defended by a pawn and under our attack
538     weak =   pos.pieces(Them)
539           & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
540           &  ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
541
542     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
543     if (defended | weak)
544     {
545         b = (defended | weak) & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
546         while (b)
547             score += Threat[Minor][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
548
549         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & ei.attackedBy[Us][ROOK];
550         while (b)
551             score += Threat[Rook ][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
552
553         score += Hanging * popcount(weak & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
554
555         b = weak & ei.attackedBy[Us][KING];
556         if (b)
557             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
558     }
559
560     // Bonus if some pawns can safely push and attack an enemy piece
561     b = pos.pieces(Us, PAWN) & ~TRank7BB;
562     b = shift_bb<Up>(b | (shift_bb<Up>(b & TRank2BB) & ~pos.pieces()));
563
564     b &=  ~pos.pieces()
565         & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
566         & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
567
568     b =  (shift_bb<Left>(b) | shift_bb<Right>(b))
569        &  pos.pieces(Them)
570        & ~ei.attackedBy[Us][PAWN];
571
572     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
573
574     // King tropism: firstly, find squares that we attack in the enemy king flank
575     b = ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] & KingFlank[Us][file_of(pos.square<KING>(Them))];
576
577     // Secondly, add to the bitboard the squares which we attack twice in that flank
578     // but which are not protected by a enemy pawn. Note the trick to shift away the
579     // previous attack bits to the empty part of the bitboard.
580     b =  (b & ei.attackedBy2[Us] & ~ei.attackedBy[Them][PAWN])
581        | (Us == WHITE ? b >> 4 : b << 4);
582
583     // Count all these squares with a single popcount
584     score += make_score(7 * popcount(b), 0);
585
586     if (DoTrace)
587         Trace::add(THREAT, Us, score);
588
589     return score;
590   }
591
592
593   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
594
595   template<Color Us, bool DoTrace>
596   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
597
598     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
599
600     Bitboard b, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
601     Score score = SCORE_ZERO;
602
603     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
604
605     while (b)
606     {
607         Square s = pop_lsb(&b);
608
609         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
610         assert(!(pos.pieces(PAWN) & forward_bb(Us, s)));
611
612         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
613         int rr = r * (r - 1);
614
615         Value mbonus = Passed[MG][r], ebonus = Passed[EG][r];
616
617         if (rr)
618         {
619             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
620
621             // Adjust bonus based on the king's proximity
622             ebonus +=  distance(pos.square<KING>(Them), blockSq) * 5 * rr
623                      - distance(pos.square<KING>(Us  ), blockSq) * 2 * rr;
624
625             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
626             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
627                 ebonus -= distance(pos.square<KING>(Us), blockSq + pawn_push(Us)) * rr;
628
629             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
630             if (pos.empty(blockSq))
631             {
632                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
633                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
634                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
635                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
636
637                 Bitboard bb = forward_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
638
639                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
640                     defendedSquares &= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
641
642                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
643                     unsafeSquares &= ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
644
645                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
646                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
647                 int k = !unsafeSquares ? 18 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 8 : 0;
648
649                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
650                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
651                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
652                     k += 6;
653
654                 else if (defendedSquares & blockSq)
655                     k += 4;
656
657                 mbonus += k * rr, ebonus += k * rr;
658             }
659             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
660                 mbonus += rr + r * 2, ebonus += rr + r * 2;
661         } // rr != 0
662
663         score += make_score(mbonus, ebonus) + PassedFile[file_of(s)];
664     }
665
666     if (DoTrace)
667         Trace::add(PASSED, Us, score);
668
669     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
670     return score;
671   }
672
673
674   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
675   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
676   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
677   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
678   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
679   // improve play on game opening.
680   template<Color Us>
681   Score evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
682
683     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
684     const Bitboard SpaceMask =
685       Us == WHITE ? (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
686                   : (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
687
688     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
689     // SpaceMask. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
690     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
691     Bitboard safe =   SpaceMask
692                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
693                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
694                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
695
696     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
697     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
698     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
699     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
700
701     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board...
702     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
703
704     // ...count safe + (behind & safe) with a single popcount
705     int bonus = popcount((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
706     bonus = std::min(16, bonus);
707     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us);
708
709     return make_score(bonus * weight * weight / 22, 0);
710   }
711
712
713   // evaluate_initiative() computes the initiative correction value for the
714   // position, i.e., second order bonus/malus based on the known attacking/defending
715   // status of the players.
716   Score evaluate_initiative(const Position& pos, int asymmetry, Value eg) {
717
718     int kingDistance =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
719                       - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
720     int pawns = pos.count<PAWN>(WHITE) + pos.count<PAWN>(BLACK);
721
722     // Compute the initiative bonus for the attacking side
723     int initiative = 8 * (asymmetry + kingDistance - 15) + 12 * pawns;
724
725     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
726     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
727     // that the endgame score will never be divided by more than two.
728     int value = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(initiative, -abs(eg / 2));
729
730     return make_score(0, value);
731   }
732
733
734   // evaluate_scale_factor() computes the scale factor for the winning side
735   ScaleFactor evaluate_scale_factor(const Position& pos, const EvalInfo& ei, Value eg) {
736
737     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
738     ScaleFactor sf = ei.me->scale_factor(pos, strongSide);
739
740     // If we don't already have an unusual scale factor, check for certain
741     // types of endgames, and use a lower scale for those.
742     if (    ei.me->game_phase() < PHASE_MIDGAME
743         && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
744     {
745         if (pos.opposite_bishops())
746         {
747             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces (ignoring pawns)
748             // is almost a draw, in case of KBP vs KB, it is even more a draw.
749             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
750                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
751                 sf = more_than_one(pos.pieces(PAWN)) ? ScaleFactor(31) : ScaleFactor(9);
752
753             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
754             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
755             else
756                 sf = ScaleFactor(46);
757         }
758         // Endings where weaker side can place his king in front of the opponent's
759         // pawns are drawish.
760         else if (    abs(eg) <= BishopValueEg
761                  &&  ei.pi->pawn_span(strongSide) <= 1
762                  && !pos.pawn_passed(~strongSide, pos.square<KING>(~strongSide)))
763             sf = ei.pi->pawn_span(strongSide) ? ScaleFactor(51) : ScaleFactor(37);
764     }
765
766     return sf;
767   }
768
769 } // namespace
770
771
772 /// evaluate() is the main evaluation function. It returns a static evaluation
773 /// of the position from the point of view of the side to move.
774
775 template<bool DoTrace>
776 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
777
778   assert(!pos.checkers());
779
780   EvalInfo ei;
781   Score score, mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
782
783   // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
784   // the position object (material + piece square tables). Score is computed
785   // internally from the white point of view.
786   score = pos.psq_score();
787
788   // Probe the material hash table
789   ei.me = Material::probe(pos);
790   score += ei.me->imbalance();
791
792   // If we have a specialized evaluation function for the current material
793   // configuration, call it and return.
794   if (ei.me->specialized_eval_exists())
795       return ei.me->evaluate(pos);
796
797   // Probe the pawn hash table
798   ei.pi = Pawns::probe(pos);
799   score += ei.pi->pawns_score();
800
801   // Initialize attack and king safety bitboards
802   ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] = 0;
803   ei.attackedBy[WHITE][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(WHITE));
804   ei.attackedBy[BLACK][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(BLACK));
805   eval_init<WHITE>(pos, ei);
806   eval_init<BLACK>(pos, ei);
807
808   // Pawns blocked or on ranks 2 and 3 will be excluded from the mobility area
809   Bitboard blockedPawns[] = {
810     pos.pieces(WHITE, PAWN) & (shift_bb<DELTA_S>(pos.pieces()) | Rank2BB | Rank3BB),
811     pos.pieces(BLACK, PAWN) & (shift_bb<DELTA_N>(pos.pieces()) | Rank7BB | Rank6BB)
812   };
813
814   // Do not include in mobility area squares protected by enemy pawns, or occupied
815   // by our blocked pawns or king.
816   Bitboard mobilityArea[] = {
817     ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | blockedPawns[WHITE] | pos.square<KING>(WHITE)),
818     ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | blockedPawns[BLACK] | pos.square<KING>(BLACK))
819   };
820
821   // Evaluate all pieces but king and pawns
822   score += evaluate_pieces<DoTrace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
823   score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
824
825   // Evaluate kings after all other pieces because we need full attack
826   // information when computing the king safety evaluation.
827   score +=  evaluate_king<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
828           - evaluate_king<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
829
830   // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
831   score +=  evaluate_threats<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
832           - evaluate_threats<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
833
834   // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
835   score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
836           - evaluate_passed_pawns<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
837
838   // If both sides have only pawns, score for potential unstoppable pawns
839   if (!pos.non_pawn_material(WHITE) && !pos.non_pawn_material(BLACK))
840   {
841       Bitboard b;
842       if ((b = ei.pi->passed_pawns(WHITE)) != 0)
843           score += Unstoppable * int(relative_rank(WHITE, frontmost_sq(WHITE, b)));
844
845       if ((b = ei.pi->passed_pawns(BLACK)) != 0)
846           score -= Unstoppable * int(relative_rank(BLACK, frontmost_sq(BLACK, b)));
847   }
848
849   // Evaluate space for both sides, only during opening
850   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >= 12222)
851       score +=  evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
852               - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
853
854   // Evaluate position potential for the winning side
855   score += evaluate_initiative(pos, ei.pi->pawn_asymmetry(), eg_value(score));
856
857   // Evaluate scale factor for the winning side
858   ScaleFactor sf = evaluate_scale_factor(pos, ei, eg_value(score));
859
860   // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
861   Value v =  mg_value(score) * int(ei.me->game_phase())
862            + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - ei.me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
863
864   v /= int(PHASE_MIDGAME);
865
866   // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
867   if (DoTrace)
868   {
869       Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
870       Trace::add(IMBALANCE, ei.me->imbalance());
871       Trace::add(PAWN, ei.pi->pawns_score());
872       Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
873       Trace::add(SPACE, evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
874                       , evaluate_space<BLACK>(pos, ei));
875       Trace::add(TOTAL, score);
876   }
877
878   return (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Eval::Tempo; // Side to move point of view
879 }
880
881 // Explicit template instantiations
882 template Value Eval::evaluate<true >(const Position&);
883 template Value Eval::evaluate<false>(const Position&);
884
885
886 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
887 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
888 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
889
890 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
891
892   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
893
894   Value v = evaluate<true>(pos);
895   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
896
897   std::stringstream ss;
898   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
899      << "      Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
900      << "                |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
901      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
902      << "       Material | " << Term(MATERIAL)
903      << "      Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
904      << "          Pawns | " << Term(PAWN)
905      << "        Knights | " << Term(KNIGHT)
906      << "         Bishop | " << Term(BISHOP)
907      << "          Rooks | " << Term(ROOK)
908      << "         Queens | " << Term(QUEEN)
909      << "       Mobility | " << Term(MOBILITY)
910      << "    King safety | " << Term(KING)
911      << "        Threats | " << Term(THREAT)
912      << "   Passed pawns | " << Term(PASSED)
913      << "          Space | " << Term(SPACE)
914      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
915      << "          Total | " << Term(TOTAL);
916
917   ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
918
919   return ss.str();
920 }
921
922
923 /// init() computes evaluation weights, usually at startup
924
925 void Eval::init() {
926
927   const int MaxSlope = 322;
928   const int Peak = 47410;
929   int t = 0;
930
931   for (int i = 0; i < 400; ++i)
932   {
933       t = std::min(Peak, std::min(i * i - 16, t + MaxSlope));
934       KingDanger[i] = make_score(t * 268 / 7700, 0);
935   }
936 }