Prune before extension
[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) 2015-2019 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   // Threshold for lazy and space evaluation
77   constexpr Value LazyThreshold  = Value(1400);
78   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
79
80   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
81   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 81, 52, 44, 10 };
82
83   // Penalties for enemy's safe checks
84   constexpr int QueenSafeCheck  = 780;
85   constexpr int RookSafeCheck   = 1080;
86   constexpr int BishopSafeCheck = 635;
87   constexpr int KnightSafeCheck = 790;
88
89 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
90
91   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
92   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
93   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
94     { S(-62,-81), S(-53,-56), S(-12,-30), S( -4,-14), S(  3,  8), S( 13, 15), // Knights
95       S( 22, 23), S( 28, 27), S( 33, 33) },
96     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
97       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
98       S( 91, 88), S( 98, 97) },
99     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
100       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
101       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
102     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
103       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
104       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
105       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
106       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
107   };
108
109   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
110   // no (friendly) pawn on the rook file.
111   constexpr Score RookOnFile[] = { S(21, 4), S(47, 25) };
112
113   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
114   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
115   // pawn-defended are not considered.
116   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
117     S(0, 0), S(6, 32), S(59, 41), S(79, 56), S(90, 119), S(79, 161)
118   };
119
120   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
121     S(0, 0), S(3, 44), S(38, 71), S(38, 61), S(0, 38), S(51, 38)
122   };
123
124   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
125   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
126     S(0, 0), S(10, 28), S(17, 33), S(15, 41), S(62, 72), S(168, 177), S(276, 260)
127   };
128
129   // OutpostRank[Rank] contains a bonus according to the rank of the outpost
130   constexpr Score OutpostRank[RANK_NB] = {
131     S(0, 0), S(0, 0), S(0, 0), S(28, 18), S(30, 24), S(32, 19)
132   };
133
134   // Assorted bonuses and penalties
135   constexpr Score BishopPawns        = S(  3,  7);
136   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
137   constexpr Score FlankAttacks       = S(  8,  0);
138   constexpr Score Hanging            = S( 69, 36);
139   constexpr Score KingProtector      = S(  7,  8);
140   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 16, 12);
141   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 45,  0);
142   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 18,  3);
143   constexpr Score Outpost            = S( 32, 10);
144   constexpr Score PassedFile         = S( 11,  8);
145   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 17, 95);
146   constexpr Score RestrictedPiece    = S(  7,  7);
147   constexpr Score RookOnQueenFile    = S(  7,  6);
148   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 59, 18);
149   constexpr Score ThreatByKing       = S( 24, 89);
150   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 48, 39);
151   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(173, 94);
152   constexpr Score TrappedRook        = S( 47,  4);
153   constexpr Score WeakQueen          = S( 49, 15);
154
155 #undef S
156
157   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
158   template<Tracing T>
159   class Evaluation {
160
161   public:
162     Evaluation() = delete;
163     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
164     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
165     Value value();
166
167   private:
168     template<Color Us> void initialize();
169     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
170     template<Color Us> Score king() const;
171     template<Color Us> Score threats() const;
172     template<Color Us> Score passed() const;
173     template<Color Us> Score space() const;
174     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
175     Score initiative(Score score) const;
176
177     const Position& pos;
178     Material::Entry* me;
179     Pawns::Entry* pe;
180     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
181     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
182
183     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
184     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
185     // is also calculated is ALL_PIECES.
186     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
187
188     // attackedBy2[color] are the squares attacked by at least 2 units of a given
189     // color, including x-rays. But diagonal x-rays through pawns are not computed.
190     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
191
192     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king plus some other
193     // very near squares, depending on king position.
194     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
195
196     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
197     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
198     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
199
200     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
201     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
202     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
203     // the KingAttackWeights array.
204     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
205
206     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
207     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
208     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
209     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
210     // to kingAttacksCount[WHITE].
211     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
212   };
213
214
215   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
216   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
217   template<Tracing T> template<Color Us>
218   void Evaluation<T>::initialize() {
219
220     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
221     constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
222     constexpr Direction Down = -Up;
223     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB : Rank7BB | Rank6BB);
224
225     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
226
227     Bitboard dblAttackByPawn = pawn_double_attacks_bb<Us>(pos.pieces(Us, PAWN));
228
229     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
230     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
231
232     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen or controlled by
233     // enemy pawns are excluded from the mobility area.
234     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
235
236     // Initialize attackedBy[] for king and pawns
237     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(ksq);
238     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
239     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
240     attackedBy2[Us] = dblAttackByPawn | (attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN]);
241
242     // Init our king safety tables
243     Square s = make_square(clamp(file_of(ksq), FILE_B, FILE_G),
244                            clamp(rank_of(ksq), RANK_2, RANK_7));
245     kingRing[Us] = s | PseudoAttacks[KING][s];
246
247     kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
248     kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
249
250     // Remove from kingRing[] the squares defended by two pawns
251     kingRing[Us] &= ~dblAttackByPawn;
252   }
253
254
255   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
256   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
257   Score Evaluation<T>::pieces() {
258
259     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
260     constexpr Direction Down = -pawn_push(Us);
261     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
262                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
263     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
264
265     Bitboard b, bb;
266     Score score = SCORE_ZERO;
267
268     attackedBy[Us][Pt] = 0;
269
270     for (Square s = *pl; s != SQ_NONE; s = *++pl)
271     {
272         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
273         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
274           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
275                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
276
277         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
278             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
279
280         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
281         attackedBy[Us][Pt] |= b;
282         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
283
284         if (b & kingRing[Them])
285         {
286             kingAttackersCount[Us]++;
287             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
288             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
289         }
290
291         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
292
293         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
294
295         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
296         {
297             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
298             bb = OutpostRanks & attackedBy[Us][PAWN] & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
299             if (s & bb)
300                 score += OutpostRank[relative_rank(Us, s)] * (Pt == KNIGHT ? 2 : 1);
301
302             else if (Pt == KNIGHT && bb & b & ~pos.pieces(Us))
303                 score += Outpost;
304
305             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
306             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
307                 score += MinorBehindPawn;
308
309             // Penalty if the piece is far from the king
310             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
311
312             if (Pt == BISHOP)
313             {
314                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
315                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
316                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
317
318                 score -= BishopPawns * pos.pawns_on_same_color_squares(Us, s)
319                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
320
321                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
322                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
323                     score += LongDiagonalBishop;
324             }
325
326             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
327             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
328             // when that pawn is also blocked.
329             if (   Pt == BISHOP
330                 && pos.is_chess960()
331                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
332             {
333                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
334                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
335                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
336                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
337                                                                               : CorneredBishop;
338             }
339         }
340
341         if (Pt == ROOK)
342         {
343             // Bonus for rook on the same file as a queen
344             if (file_bb(s) & pos.pieces(QUEEN))
345                 score += RookOnQueenFile;
346
347             // Bonus for rook on an open or semi-open file
348             if (pos.is_on_semiopen_file(Us, s))
349                 score += RookOnFile[pos.is_on_semiopen_file(Them, s)];
350
351             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
352             else if (mob <= 3)
353             {
354                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
355                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
356                     score -= TrappedRook * (1 + !pos.castling_rights(Us));
357             }
358         }
359
360         if (Pt == QUEEN)
361         {
362             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
363             Bitboard queenPinners;
364             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
365                 score -= WeakQueen;
366         }
367     }
368     if (T)
369         Trace::add(Pt, Us, score);
370
371     return score;
372   }
373
374
375   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
376   template<Tracing T> template<Color Us>
377   Score Evaluation<T>::king() const {
378
379     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
380     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
381                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
382
383     Bitboard weak, b1, b2, safe, unsafeChecks = 0;
384     Bitboard rookChecks, queenChecks, bishopChecks, knightChecks;
385     int kingDanger = 0;
386     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
387
388     // Init the score with king shelter and enemy pawns storm
389     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
390
391     // Attacked squares defended at most once by our queen or king
392     weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
393           & ~attackedBy2[Us]
394           & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
395
396     // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
397     safe  = ~pos.pieces(Them);
398     safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
399
400     b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
401     b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
402
403     // Enemy rooks checks
404     rookChecks = b1 & safe & attackedBy[Them][ROOK];
405
406     if (rookChecks)
407         kingDanger += RookSafeCheck;
408     else
409         unsafeChecks |= b1 & attackedBy[Them][ROOK];
410
411     // Enemy queen safe checks: we count them only if they are from squares from
412     // which we can't give a rook check, because rook checks are more valuable.
413     queenChecks =  (b1 | b2)
414                  & attackedBy[Them][QUEEN]
415                  & safe
416                  & ~attackedBy[Us][QUEEN]
417                  & ~rookChecks;
418
419     if (queenChecks)
420         kingDanger += QueenSafeCheck;
421
422     // Enemy bishops checks: we count them only if they are from squares from
423     // which we can't give a queen check, because queen checks are more valuable.
424     bishopChecks =  b2
425                   & attackedBy[Them][BISHOP]
426                   & safe
427                   & ~queenChecks;
428
429     if (bishopChecks)
430         kingDanger += BishopSafeCheck;
431     else
432         unsafeChecks |= b2 & attackedBy[Them][BISHOP];
433
434     // Enemy knights checks
435     knightChecks = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
436
437     if (knightChecks & safe)
438         kingDanger += KnightSafeCheck;
439     else
440         unsafeChecks |= knightChecks;
441
442     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
443     // which are attacked twice in that flank.
444     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
445     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
446
447     int kingFlankAttacks = popcount(b1) + popcount(b2);
448
449     kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
450                  + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
451                  + 148 * popcount(unsafeChecks)
452                  +  98 * popcount(pos.blockers_for_king(Us))
453                  +  69 * kingAttacksCount[Them]
454                  +   3 * kingFlankAttacks * kingFlankAttacks / 8
455                  +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
456                  - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
457                  - 100 * bool(attackedBy[Us][KNIGHT] & attackedBy[Us][KING])
458                  -  35 * bool(attackedBy[Us][BISHOP] & attackedBy[Us][KING])
459                  -   6 * mg_value(score) / 8
460                  -   7;
461
462     // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
463     if (kingDanger > 100)
464         score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
465
466     // Penalty when our king is on a pawnless flank
467     if (!(pos.pieces(PAWN) & KingFlank[file_of(ksq)]))
468         score -= PawnlessFlank;
469
470     // Penalty if king flank is under attack, potentially moving toward the king
471     score -= FlankAttacks * kingFlankAttacks;
472
473     if (T)
474         Trace::add(KING, Us, score);
475
476     return score;
477   }
478
479
480   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
481   // attacking and the attacked pieces.
482   template<Tracing T> template<Color Us>
483   Score Evaluation<T>::threats() const {
484
485     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
486     constexpr Direction Up       = pawn_push(Us);
487     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
488
489     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
490     Score score = SCORE_ZERO;
491
492     // Non-pawn enemies
493     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
494
495     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
496     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
497     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
498                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
499
500     // Non-pawn enemies, strongly protected
501     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
502
503     // Enemies not strongly protected and under our attack
504     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
505
506     // Bonus according to the kind of attacking pieces
507     if (defended | weak)
508     {
509         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
510         while (b)
511             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
512
513         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
514         while (b)
515             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
516
517         if (weak & attackedBy[Us][KING])
518             score += ThreatByKing;
519
520         b =  ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]
521            | (nonPawnEnemies & attackedBy2[Us]);
522         score += Hanging * popcount(weak & b);
523     }
524
525     // Bonus for restricting their piece moves
526     b =   attackedBy[Them][ALL_PIECES]
527        & ~stronglyProtected
528        &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
529
530     score += RestrictedPiece * popcount(b);
531
532     // Protected or unattacked squares
533     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
534
535     // Bonus for attacking enemy pieces with our relatively safe pawns
536     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
537     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
538     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
539
540     // Find squares where our pawns can push on the next move
541     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
542     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
543
544     // Keep only the squares which are relatively safe
545     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
546
547     // Bonus for safe pawn threats on the next move
548     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
549     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
550
551     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
552     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
553     {
554         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
555         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
556
557         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
558
559         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
560
561         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
562            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
563
564         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
565     }
566
567     if (T)
568         Trace::add(THREAT, Us, score);
569
570     return score;
571   }
572
573   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
574   // pawns of the given color.
575
576   template<Tracing T> template<Color Us>
577   Score Evaluation<T>::passed() const {
578
579     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
580     constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
581
582     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
583       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
584     };
585
586     Bitboard b, bb, squaresToQueen, unsafeSquares;
587     Score score = SCORE_ZERO;
588
589     b = pe->passed_pawns(Us);
590
591     while (b)
592     {
593         Square s = pop_lsb(&b);
594
595         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
596
597         int r = relative_rank(Us, s);
598
599         Score bonus = PassedRank[r];
600
601         if (r > RANK_3)
602         {
603             int w = 5 * r - 13;
604             Square blockSq = s + Up;
605
606             // Adjust bonus based on the king's proximity
607             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
608                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
609
610             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
611             if (r != RANK_7)
612                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
613
614             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
615             if (pos.empty(blockSq))
616             {
617                 squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
618                 unsafeSquares = passed_pawn_span(Us, s);
619
620                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN);
621
622                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
623                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES];
624
625                 // If there are no enemy attacks on passed pawn span, assign a big bonus.
626                 // Otherwise assign a smaller bonus if the path to queen is not attacked
627                 // and even smaller bonus if it is attacked but block square is not.
628                 int k = !unsafeSquares                    ? 35 :
629                         !(unsafeSquares & squaresToQueen) ? 20 :
630                         !(unsafeSquares & blockSq)        ?  9 :
631                                                              0 ;
632
633                 // Assign a larger bonus if the block square is defended
634                 if ((pos.pieces(Us) & bb) || (attackedBy[Us][ALL_PIECES] & blockSq))
635                     k += 5;
636
637                 bonus += make_score(k * w, k * w);
638             }
639         } // r > RANK_3
640
641         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
642         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
643         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
644             || (pos.pieces(PAWN) & (s + Up)))
645             bonus = bonus / 2;
646
647         score += bonus - PassedFile * map_to_queenside(file_of(s));
648     }
649
650     if (T)
651         Trace::add(PASSED, Us, score);
652
653     return score;
654   }
655
656
657   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
658   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
659   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
660   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
661   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
662   // improve play on game opening.
663
664   template<Tracing T> template<Color Us>
665   Score Evaluation<T>::space() const {
666
667     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
668         return SCORE_ZERO;
669
670     constexpr Color Them     = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
671     constexpr Direction Down = -pawn_push(Us);
672     constexpr Bitboard SpaceMask =
673       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
674                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
675
676     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
677     Bitboard safe =   SpaceMask
678                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
679                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
680
681     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
682     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
683     behind |= shift<Down>(behind);
684     behind |= shift<Down+Down>(behind);
685
686     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
687     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 1;
688     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
689
690     if (T)
691         Trace::add(SPACE, Us, score);
692
693     return score;
694   }
695
696
697   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
698   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
699   // known attacking/defending status of the players.
700
701   template<Tracing T>
702   Score Evaluation<T>::initiative(Score score) const {
703
704     Value mg = mg_value(score);
705     Value eg = eg_value(score);
706
707     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
708                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
709
710     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
711                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
712
713     bool almostUnwinnable =   !pe->passed_count()
714                            &&  outflanking < 0
715                            && !pawnsOnBothFlanks;
716
717     // Compute the initiative bonus for the attacking side
718     int complexity =   9 * pe->passed_count()
719                     + 11 * pos.count<PAWN>()
720                     +  9 * outflanking
721                     + 21 * pawnsOnBothFlanks
722                     + 51 * !pos.non_pawn_material()
723                     - 43 * almostUnwinnable
724                     - 95 ;
725
726     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting the
727     // sign of the midgame or endgame values, and that we carefully cap the bonus
728     // so that the midgame and endgame scores do not change sign after the bonus.
729     int u = ((mg > 0) - (mg < 0)) * std::max(std::min(complexity + 50, 0), -abs(mg));
730     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
731
732     if (T)
733         Trace::add(INITIATIVE, make_score(u, v));
734
735     return make_score(u, v);
736   }
737
738
739   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
740
741   template<Tracing T>
742   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
743
744     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
745     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
746
747     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
748     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
749     {
750         if (   pos.opposite_bishops()
751             && pos.non_pawn_material() == 2 * BishopValueMg)
752             sf = 16 + 4 * pe->passed_count();
753         else
754             sf = std::min(sf, 36 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide));
755
756         sf = std::max(0, sf - (pos.rule50_count() - 12) / 4);
757     }
758
759     return ScaleFactor(sf);
760   }
761
762
763   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
764   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
765   // of view of the side to move.
766
767   template<Tracing T>
768   Value Evaluation<T>::value() {
769
770     assert(!pos.checkers());
771
772     // Probe the material hash table
773     me = Material::probe(pos);
774
775     // If we have a specialized evaluation function for the current material
776     // configuration, call it and return.
777     if (me->specialized_eval_exists())
778         return me->evaluate(pos);
779
780     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
781     // the position object (material + piece square tables) and the material
782     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
783     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
784
785     // Probe the pawn hash table
786     pe = Pawns::probe(pos);
787     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
788
789     // Early exit if score is high
790     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
791     if (abs(v) > LazyThreshold + pos.non_pawn_material() / 64)
792        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
793
794     // Main evaluation begins here
795
796     initialize<WHITE>();
797     initialize<BLACK>();
798
799     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
800     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
801             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
802             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
803             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
804
805     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
806
807     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
808             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
809             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
810             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
811
812     score += initiative(score);
813
814     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
815     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
816     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
817        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
818
819     v /= PHASE_MIDGAME;
820
821     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
822     if (T)
823     {
824         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
825         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
826         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
827         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
828         Trace::add(TOTAL, score);
829     }
830
831     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
832            + Eval::Tempo;
833   }
834
835 } // namespace
836
837
838 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
839 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
840
841 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
842   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
843 }
844
845
846 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
847 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
848 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
849
850 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
851
852   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
853
854   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
855
856   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
857
858   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
859
860   std::stringstream ss;
861   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
862      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
863      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
864      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
865      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
866      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
867      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
868      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
869      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
870      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
871      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
872      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
873      << " King safety | " << Term(KING)
874      << "     Threats | " << Term(THREAT)
875      << "      Passed | " << Term(PASSED)
876      << "       Space | " << Term(SPACE)
877      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
878      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
879      << "       Total | " << Term(TOTAL);
880
881   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
882
883   return ss.str();
884 }