Reformat tracing functions
[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
6   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
7   it under the terms of the GNU General Public License as published by
8   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
9   (at your option) any later version.
10
11   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
12   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
14   GNU General Public License for more details.
15
16   You should have received a copy of the GNU General Public License
17   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
18 */
19
20 #include <algorithm>
21 #include <cassert>
22 #include <cstring>   // For std::memset
23 #include <iomanip>
24 #include <sstream>
25
26 #include "bitcount.h"
27 #include "evaluate.h"
28 #include "material.h"
29 #include "pawns.h"
30
31 namespace {
32
33   // Struct EvalInfo contains various information computed and collected
34   // by the evaluation functions.
35   struct EvalInfo {
36
37     // Pointers to material and pawn hash table entries
38     Material::Entry* mi;
39     Pawns::Entry* pi;
40
41     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
42     // attacked by a given color and piece type, attackedBy[color][ALL_PIECES]
43     // contains all squares attacked by the given color.
44     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
45
46     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
47     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
48     // adjacent to the king, and the three (or two, for a king on an edge file)
49     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
50     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
51     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
52     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
53
54     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
55     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
56     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
57
58     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weight" of the pieces of the
59     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
60     // weights of the individual piece types are given by the elements in the
61     // KingAttackWeights array.
62     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
63
64     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks to squares
65     // directly adjacent to the king of the given color. Pieces which attack
66     // more than one square are counted multiple times. For instance, if black's
67     // king is on g8 and there's a white knight on g5, this knight adds
68     // 2 to kingAdjacentZoneAttacksCount[BLACK].
69     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
70
71     Bitboard pinnedPieces[COLOR_NB];
72   };
73
74   namespace Tracing {
75
76     enum Term { // First 8 entries are for PieceType
77       MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, TOTAL, TERMS_NB
78     };
79
80     Score scores[COLOR_NB][TERMS_NB];
81
82     std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term idx);
83
84     double to_cp(Value v);
85     void write(int idx, Color c, Score s);
86     void write(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO);
87     std::string do_trace(const Position& pos);
88   }
89
90   // Evaluation weights, indexed by evaluation term
91   enum { Mobility, PawnStructure, PassedPawns, Space, KingSafety };
92   const struct Weight { int mg, eg; } Weights[] = {
93     {289, 344}, {233, 201}, {221, 273}, {46, 0}, {322, 0}
94   };
95
96   #define V(v) Value(v)
97   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
98
99   // MobilityBonus[PieceType][attacked] contains bonuses for middle and end
100   // game, indexed by piece type and number of attacked squares not occupied by
101   // friendly pieces.
102   const Score MobilityBonus[][32] = {
103     {}, {},
104     { S(-65,-50), S(-42,-30), S(-9,-10), S( 3,  0), S(15, 10), S(27, 20), // Knights
105       S( 37, 28), S( 42, 31), S(44, 33) },
106     { S(-52,-47), S(-28,-23), S( 6,  1), S(20, 15), S(34, 29), S(48, 43), // Bishops
107       S( 60, 55), S( 68, 63), S(74, 68), S(77, 72), S(80, 75), S(82, 77),
108       S( 84, 79), S( 86, 81) },
109     { S(-47,-53), S(-31,-26), S(-5,  0), S( 1, 16), S( 7, 32), S(13, 48), // Rooks
110       S( 18, 64), S( 22, 80), S(26, 96), S(29,109), S(31,115), S(33,119),
111       S( 35,122), S( 36,123), S(37,124) },
112     { S(-42,-40), S(-28,-23), S(-5, -7), S( 0,  0), S( 6, 10), S(11, 19), // Queens
113       S( 13, 29), S( 18, 38), S(20, 40), S(21, 41), S(22, 41), S(22, 41),
114       S( 22, 41), S( 23, 41), S(24, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41),
115       S( 25, 41), S( 25, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41),
116       S( 25, 41), S( 25, 41), S(25, 41), S(25, 41) }
117   };
118
119   // Outpost[Bishop/Knight][Square] contains bonuses for knights and bishops
120   // outposts, indexed by piece type and square (from white's point of view).
121   const Value Outpost[][SQUARE_NB] = {
122   {// A     B     C     D     E     F     G     H
123     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), // Knights
124     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0),
125     V(0), V(0), V(4), V(8), V(8), V(4), V(0), V(0),
126     V(0), V(4),V(17),V(26),V(26),V(17), V(4), V(0),
127     V(0), V(8),V(26),V(35),V(35),V(26), V(8), V(0),
128     V(0), V(4),V(17),V(17),V(17),V(17), V(4), V(0) },
129   {
130     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), // Bishops
131     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0),
132     V(0), V(0), V(5), V(5), V(5), V(5), V(0), V(0),
133     V(0), V(5),V(10),V(10),V(10),V(10), V(5), V(0),
134     V(0),V(10),V(21),V(21),V(21),V(21),V(10), V(0),
135     V(0), V(5), V(8), V(8), V(8), V(8), V(5), V(0) }
136   };
137
138   // Threat[defended/weak][minor/major attacking][attacked PieceType] contains
139   // bonuses according to which piece type attacks which one.
140   const Score Threat[][2][PIECE_TYPE_NB] = {
141   { { S(0, 0), S( 0, 0), S(19, 37), S(24, 37), S(44, 97), S(35,106) },   // Defended Minor
142     { S(0, 0), S( 0, 0), S( 9, 14), S( 9, 14), S( 7, 14), S(24, 48) } }, // Defended Major
143   { { S(0, 0), S( 0,32), S(33, 41), S(31, 50), S(41,100), S(35,104) },   // Weak Minor
144     { S(0, 0), S( 0,27), S(26, 57), S(26, 57), S(0 , 43), S(23, 51) } }  // Weak Major
145   };
146
147   // ThreatenedByPawn[PieceType] contains a penalty according to which piece
148   // type is attacked by an enemy pawn.
149   const Score ThreatenedByPawn[PIECE_TYPE_NB] = {
150     S(0, 0), S(0, 0), S(87, 118), S(84, 122), S(114, 203), S(121, 217)
151   };
152
153   // Assorted bonuses and penalties used by evaluation
154   const Score KingOnOne          = S( 2, 58);
155   const Score KingOnMany         = S( 6,125);
156   const Score RookOnPawn         = S( 7, 27);
157   const Score RookOnOpenFile     = S(43, 21);
158   const Score RookOnSemiOpenFile = S(19, 10);
159   const Score BishopPawns        = S( 8, 12);
160   const Score MinorBehindPawn    = S(16,  0);
161   const Score TrappedRook        = S(92,  0);
162   const Score Unstoppable        = S( 0, 20);
163   const Score Hanging            = S(31, 26);
164   const Score PawnAttackThreat   = S(20, 20);
165
166   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
167   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
168   // happen in Chess960 games.
169   const Score TrappedBishopA1H1 = S(50, 50);
170
171   #undef S
172   #undef V
173
174   // SpaceMask[Color] contains the area of the board which is considered
175   // by the space evaluation. In the middlegame, each side is given a bonus
176   // based on how many squares inside this area are safe and available for
177   // friendly minor pieces.
178   const Bitboard SpaceMask[COLOR_NB] = {
179     (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB),
180     (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB)
181   };
182
183   // King danger constants and variables. The king danger scores are looked-up
184   // in KingDanger[]. Various little "meta-bonuses" measuring the strength
185   // of the enemy attack are added up into an integer, which is used as an
186   // index to KingDanger[].
187   //
188   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
189   const int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 7, 5, 4, 1 };
190
191   // Bonuses for enemy's safe checks
192   const int QueenContactCheck = 89;
193   const int RookContactCheck  = 71;
194   const int QueenCheck        = 50;
195   const int RookCheck         = 37;
196   const int BishopCheck       = 6;
197   const int KnightCheck       = 14;
198
199   // KingDanger[attackUnits] contains the actual king danger weighted
200   // scores, indexed by a calculated integer number.
201   Score KingDanger[512];
202
203   // apply_weight() weighs score 's' by weight 'w' trying to prevent overflow
204   Score apply_weight(Score s, const Weight& w) {
205     return make_score(mg_value(s) * w.mg / 256, eg_value(s) * w.eg / 256);
206   }
207
208
209   // init_eval_info() initializes king bitboards for given color adding
210   // pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
211
212   template<Color Us>
213   void init_eval_info(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
214
215     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
216     const Square Down = (Us == WHITE ? DELTA_S : DELTA_N);
217
218     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
219     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
220     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.king_square(Them));
221
222     // Init king safety tables only if we are going to use them
223     if (pos.non_pawn_material(Us) >= QueenValueMg)
224     {
225         ei.kingRing[Them] = b | shift_bb<Down>(b);
226         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
227         ei.kingAttackersCount[Us] = b ? popcount<Max15>(b) : 0;
228         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
229     }
230     else
231         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
232   }
233
234
235   // evaluate_outpost() evaluates bishop and knight outpost squares
236
237   template<PieceType Pt, Color Us>
238   Score evaluate_outpost(const Position& pos, const EvalInfo& ei, Square s) {
239
240     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
241
242     assert (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT);
243
244     // Initial bonus based on square
245     Value bonus = Outpost[Pt == BISHOP][relative_square(Us, s)];
246
247     // Increase bonus if supported by pawn, especially if the opponent has
248     // no minor piece which can trade with the outpost piece.
249     if (bonus && (ei.attackedBy[Us][PAWN] & s))
250     {
251         if (   !pos.pieces(Them, KNIGHT)
252             && !(squares_of_color(s) & pos.pieces(Them, BISHOP)))
253             bonus += bonus + bonus / 2;
254         else
255             bonus += bonus / 2;
256     }
257
258     return make_score(bonus * 2, bonus / 2);
259   }
260
261
262   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given color
263
264   template<PieceType Pt, Color Us, bool Trace>
265   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility, Bitboard* mobilityArea) {
266
267     Bitboard b;
268     Square s;
269     Score score = SCORE_ZERO;
270
271     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
272     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
273     const Square* pl = pos.list<Pt>(Us);
274
275     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
276
277     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
278     {
279         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
280         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
281           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
282                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
283
284         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
285             b &= LineBB[pos.king_square(Us)][s];
286
287         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
288
289         if (b & ei.kingRing[Them])
290         {
291             ei.kingAttackersCount[Us]++;
292             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
293             Bitboard bb = b & ei.attackedBy[Them][KING];
294             if (bb)
295                 ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount<Max15>(bb);
296         }
297
298         if (Pt == QUEEN)
299             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
300                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
301                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
302
303         int mob = Pt != QUEEN ? popcount<Max15>(b & mobilityArea[Us])
304                               : popcount<Full >(b & mobilityArea[Us]);
305
306         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
307
308         // Decrease score if we are attacked by an enemy pawn. The remaining part
309         // of threat evaluation must be done later when we have full attack info.
310         if (ei.attackedBy[Them][PAWN] & s)
311             score -= ThreatenedByPawn[Pt];
312
313         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
314         {
315             // Bonus for outpost square
316             if (!(pos.pieces(Them, PAWN) & pawn_attack_span(Us, s)))
317                 score += evaluate_outpost<Pt, Us>(pos, ei, s);
318
319             // Bonus when behind a pawn
320             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
321                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
322                 score += MinorBehindPawn;
323
324             // Penalty for pawns on same color square of bishop
325             if (Pt == BISHOP)
326                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
327
328             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
329             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
330             // when that pawn is also blocked.
331             if (   Pt == BISHOP
332                 && pos.is_chess960()
333                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
334             {
335                 Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? DELTA_E : DELTA_W);
336                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
337                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
338                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
339                                                                               : TrappedBishopA1H1;
340             }
341         }
342
343         if (Pt == ROOK)
344         {
345             // Bonus for aligning with enemy pawns on the same rank/file
346             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
347             {
348                 Bitboard alignedPawns = pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s];
349                 if (alignedPawns)
350                     score += popcount<Max15>(alignedPawns) * RookOnPawn;
351             }
352
353             // Bonus when on an open or semi-open file
354             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
355                 score += ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s)) ? RookOnOpenFile : RookOnSemiOpenFile;
356
357             // Penalize when trapped by the king, even more if king cannot castle
358             if (mob <= 3 && !ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
359             {
360                 Square ksq = pos.king_square(Us);
361
362                 if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
363                     && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
364                     && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
365                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
366             }
367         }
368     }
369
370     if (Trace)
371         Tracing::write(Pt, Us, score);
372
373     // Recursively call evaluate_pieces() of next piece type until KING excluded
374     return score - evaluate_pieces<NextPt, Them, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
375   }
376
377   template<>
378   Score evaluate_pieces<KING, WHITE, false>(const Position&, EvalInfo&, Score*, Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
379   template<>
380   Score evaluate_pieces<KING, WHITE,  true>(const Position&, EvalInfo&, Score*, Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
381
382
383   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
384
385   template<Color Us, bool Trace>
386   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
387
388     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
389
390     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe;
391     int attackUnits;
392     const Square ksq = pos.king_square(Us);
393
394     // King shelter and enemy pawns storm
395     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
396
397     // Main king safety evaluation
398     if (ei.kingAttackersCount[Them])
399     {
400         // Find the attacked squares around the king which have no defenders
401         // apart from the king itself
402         undefended =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
403                     & ei.attackedBy[Us][KING]
404                     & ~(  ei.attackedBy[Us][PAWN]   | ei.attackedBy[Us][KNIGHT]
405                         | ei.attackedBy[Us][BISHOP] | ei.attackedBy[Us][ROOK]
406                         | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
407
408         // Initialize the 'attackUnits' variable, which is used later on as an
409         // index into the KingDanger[] array. The initial value is based on the
410         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
411         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
412         // the pawn shelter (current 'score' value).
413         attackUnits =  std::min(74, ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them])
414                      + 8 * ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them]
415                      + 25 * popcount<Max15>(undefended)
416                      +  11 * (ei.pinnedPieces[Us] != 0)
417                      - mg_value(score) * 31 / 256
418                      - !pos.count<QUEEN>(Them) * 60;
419
420         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
421         // undefended squares around the king reachable by the enemy queen...
422         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
423         if (b)
424         {
425             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
426             b &=  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
427                 | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][ROOK];
428
429             if (b)
430                 attackUnits += QueenContactCheck * popcount<Max15>(b);
431         }
432
433         // Analyse the enemy's safe rook contact checks. Firstly, find the
434         // undefended squares around the king reachable by the enemy rooks...
435         b = undefended & ei.attackedBy[Them][ROOK] & ~pos.pieces(Them);
436
437         // Consider only squares where the enemy's rook gives check
438         b &= PseudoAttacks[ROOK][ksq];
439
440         if (b)
441         {
442             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
443             b &= (  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
444                   | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][QUEEN]);
445
446             if (b)
447                 attackUnits += RookContactCheck * popcount<Max15>(b);
448         }
449
450         // Analyse the enemy's safe distance checks for sliders and knights
451         safe = ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
452
453         b1 = pos.attacks_from<ROOK  >(ksq) & safe;
454         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq) & safe;
455
456         // Enemy queen safe checks
457         b = (b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN];
458         if (b)
459             attackUnits += QueenCheck * popcount<Max15>(b);
460
461         // Enemy rooks safe checks
462         b = b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK];
463         if (b)
464             attackUnits += RookCheck * popcount<Max15>(b);
465
466         // Enemy bishops safe checks
467         b = b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP];
468         if (b)
469             attackUnits += BishopCheck * popcount<Max15>(b);
470
471         // Enemy knights safe checks
472         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT] & safe;
473         if (b)
474             attackUnits += KnightCheck * popcount<Max15>(b);
475
476         // Finally, extract the king danger score from the KingDanger[]
477         // array and subtract the score from evaluation.
478         score -= KingDanger[std::max(std::min(attackUnits, 399), 0)];
479     }
480
481     if (Trace)
482         Tracing::write(KING, Us, score);
483
484     return score;
485   }
486
487
488   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the type of attacking piece
489   // and the type of attacked one.
490
491   template<Color Us, bool Trace>
492   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
493
494     const Color Them        = (Us == WHITE ? BLACK    : WHITE);
495     const Square Up         = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
496     const Square Left       = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
497     const Square Right      = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
498     const Bitboard TRank2BB = (Us == WHITE ? Rank2BB  : Rank7BB);
499     const Bitboard TRank7BB = (Us == WHITE ? Rank7BB  : Rank2BB);
500
501     enum { Defended, Weak };
502     enum { Minor, Major };
503
504     Bitboard b, weak, defended;
505     Score score = SCORE_ZERO;
506
507     // Non-pawn enemies defended by a pawn
508     defended =  (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN))
509               &  ei.attackedBy[Them][PAWN];
510
511     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
512     if (defended)
513     {
514         b = defended & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
515         while (b)
516             score += Threat[Defended][Minor][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
517
518         b = defended & (ei.attackedBy[Us][ROOK]);
519         while (b)
520             score += Threat[Defended][Major][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
521     }
522
523     // Enemies not defended by a pawn and under our attack
524     weak =   pos.pieces(Them)
525           & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
526           &  ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
527
528     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
529     if (weak)
530     {
531         b = weak & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
532         while (b)
533             score += Threat[Weak][Minor][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
534
535         b = weak & (ei.attackedBy[Us][ROOK] | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
536         while (b)
537             score += Threat[Weak][Major][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
538
539         b = weak & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES];
540         if (b)
541             score += Hanging * popcount<Max15>(b);
542
543         b = weak & ei.attackedBy[Us][KING];
544         if (b)
545             score += more_than_one(b) ? KingOnMany : KingOnOne;
546     }
547
548     // Add bonus for safe pawn pushes which attacks an enemy piece
549     b = pos.pieces(Us, PAWN) & ~TRank7BB;
550     b = shift_bb<Up>(b | (shift_bb<Up>(b & TRank2BB) & ~pos.pieces()));
551
552     b &=  ~pos.pieces()
553         & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
554         & (ei.attackedBy[Us][PAWN] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
555
556     b =  (shift_bb<Left>(b) | shift_bb<Right>(b))
557        &  pos.pieces(Them)
558        & ~ei.attackedBy[Us][PAWN];
559
560     if (b)
561         score += popcount<Max15>(b) * PawnAttackThreat;
562
563     if (Trace)
564         Tracing::write(Tracing::THREAT, Us, score);
565
566     return score;
567   }
568
569
570   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
571
572   template<Color Us, bool Trace>
573   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
574
575     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
576
577     Bitboard b, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
578     Score score = SCORE_ZERO;
579
580     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
581
582     while (b)
583     {
584         Square s = pop_lsb(&b);
585
586         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
587
588         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
589         int rr = r * (r - 1);
590
591         // Base bonus based on rank
592         Value mbonus = Value(17 * rr), ebonus = Value(7 * (rr + r + 1));
593
594         if (rr)
595         {
596             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
597
598             // Adjust bonus based on the king's proximity
599             ebonus +=  distance(pos.king_square(Them), blockSq) * 5 * rr
600                      - distance(pos.king_square(Us  ), blockSq) * 2 * rr;
601
602             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
603             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
604                 ebonus -= distance(pos.king_square(Us), blockSq + pawn_push(Us)) * rr;
605
606             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
607             if (pos.empty(blockSq))
608             {
609                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
610                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
611                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
612                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
613
614                 Bitboard bb = forward_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
615
616                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
617                     defendedSquares &= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
618
619                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
620                     unsafeSquares &= ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
621
622                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
623                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
624                 int k = !unsafeSquares ? 15 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
625
626                 // If the path to queen is fully defended, assign a big bonus.
627                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
628                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
629                     k += 6;
630
631                 else if (defendedSquares & blockSq)
632                     k += 4;
633
634                 mbonus += k * rr, ebonus += k * rr;
635             }
636             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
637                 mbonus += rr * 3 + r * 2 + 3, ebonus += rr + r * 2;
638         } // rr != 0
639
640         if (pos.count<PAWN>(Us) < pos.count<PAWN>(Them))
641             ebonus += ebonus / 4;
642
643         score += make_score(mbonus, ebonus);
644     }
645
646     if (Trace)
647         Tracing::write(Tracing::PASSED, Us, apply_weight(score, Weights[PassedPawns]));
648
649     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
650     return apply_weight(score, Weights[PassedPawns]);
651   }
652
653
654   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
655   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
656   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
657   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
658   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
659   // improve play on game opening.
660   template<Color Us>
661   Score evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
662
663     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
664
665     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
666     // SpaceMask[]. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
667     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
668     Bitboard safe =   SpaceMask[Us]
669                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
670                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
671                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
672
673     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
674     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
675     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
676     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
677
678     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board
679     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
680
681     // Count safe + (behind & safe) with a single popcount
682     int bonus = popcount<Full>((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
683     int weight =  pos.count<KNIGHT>(Us) + pos.count<BISHOP>(Us)
684                 + pos.count<KNIGHT>(Them) + pos.count<BISHOP>(Them);
685
686     return make_score(bonus * weight * weight, 0);
687   }
688
689
690   // do_evaluate() is the evaluation entry point, called directly from evaluate()
691
692   template<bool Trace>
693   Value do_evaluate(const Position& pos) {
694
695     assert(!pos.checkers());
696
697     EvalInfo ei;
698     Score score, mobility[2] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
699
700     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included
701     // in the position object (material + piece square tables).
702     // Score is computed from the point of view of white.
703     score = pos.psq_score();
704
705     // Probe the material hash table
706     ei.mi = Material::probe(pos);
707     score += ei.mi->imbalance();
708
709     // If we have a specialized evaluation function for the current material
710     // configuration, call it and return.
711     if (ei.mi->specialized_eval_exists())
712         return ei.mi->evaluate(pos);
713
714     // Probe the pawn hash table
715     ei.pi = Pawns::probe(pos);
716     score += apply_weight(ei.pi->pawns_score(), Weights[PawnStructure]);
717
718     // Initialize attack and king safety bitboards
719     init_eval_info<WHITE>(pos, ei);
720     init_eval_info<BLACK>(pos, ei);
721
722     ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[WHITE][KING];
723     ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[BLACK][KING];
724
725     // Do not include in mobility squares protected by enemy pawns or occupied by our pawns or king
726     Bitboard mobilityArea[] = { ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | pos.pieces(WHITE, PAWN, KING)),
727                                 ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | pos.pieces(BLACK, PAWN, KING)) };
728
729     // Evaluate pieces and mobility
730     score += evaluate_pieces<KNIGHT, WHITE, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
731     score += apply_weight(mobility[WHITE] - mobility[BLACK], Weights[Mobility]);
732
733     // Evaluate kings after all other pieces because we need complete attack
734     // information when computing the king safety evaluation.
735     score +=  evaluate_king<WHITE, Trace>(pos, ei)
736             - evaluate_king<BLACK, Trace>(pos, ei);
737
738     // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
739     score +=  evaluate_threats<WHITE, Trace>(pos, ei)
740             - evaluate_threats<BLACK, Trace>(pos, ei);
741
742     // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
743     score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, Trace>(pos, ei)
744             - evaluate_passed_pawns<BLACK, Trace>(pos, ei);
745
746     // If both sides have only pawns, score for potential unstoppable pawns
747     if (!pos.non_pawn_material(WHITE) && !pos.non_pawn_material(BLACK))
748     {
749         Bitboard b;
750         if ((b = ei.pi->passed_pawns(WHITE)) != 0)
751             score += int(relative_rank(WHITE, frontmost_sq(WHITE, b))) * Unstoppable;
752
753         if ((b = ei.pi->passed_pawns(BLACK)) != 0)
754             score -= int(relative_rank(BLACK, frontmost_sq(BLACK, b))) * Unstoppable;
755     }
756
757     // Evaluate space for both sides, only during opening
758     if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >= 2 * QueenValueMg + 4 * RookValueMg + 2 * KnightValueMg)
759     {
760         Score s = evaluate_space<WHITE>(pos, ei) - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
761         score += apply_weight(s, Weights[Space]);
762     }
763
764     // Scale winning side if position is more drawish than it appears
765     Color strongSide = eg_value(score) > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
766     ScaleFactor sf = ei.mi->scale_factor(pos, strongSide);
767
768     // If we don't already have an unusual scale factor, check for certain
769     // types of endgames, and use a lower scale for those.
770     if (    ei.mi->game_phase() < PHASE_MIDGAME
771         && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
772     {
773         if (pos.opposite_bishops())
774         {
775             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces (ignoring pawns)
776             // is almost a draw, in case of KBP vs KB is even more a draw.
777             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
778                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
779                 sf = more_than_one(pos.pieces(PAWN)) ? ScaleFactor(32) : ScaleFactor(8);
780
781             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
782             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
783             else
784                  sf = ScaleFactor(50 * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL);
785         }
786         // Endings where weaker side can place his king in front of the opponent's
787         // pawns are drawish.
788         else if (    abs(eg_value(score)) <= BishopValueEg
789                  &&  ei.pi->pawn_span(strongSide) <= 1
790                  && !pos.pawn_passed(~strongSide, pos.king_square(~strongSide)))
791                  sf = ei.pi->pawn_span(strongSide) ? ScaleFactor(56) : ScaleFactor(38);
792     }
793
794     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
795     Value v =  mg_value(score) * int(ei.mi->game_phase())
796              + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - ei.mi->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
797
798     v /= int(PHASE_MIDGAME);
799
800     // In case of tracing add all single evaluation terms for both white and black
801     if (Trace)
802     {
803         Tracing::write(Tracing::MATERIAL, pos.psq_score());
804         Tracing::write(Tracing::IMBALANCE, ei.mi->imbalance());
805         Tracing::write(PAWN, ei.pi->pawns_score());
806         Tracing::write(Tracing::MOBILITY, apply_weight(mobility[WHITE], Weights[Mobility])
807                                         , apply_weight(mobility[BLACK], Weights[Mobility]));
808         Tracing::write(Tracing::SPACE, apply_weight(evaluate_space<WHITE>(pos, ei), Weights[Space])
809                                      , apply_weight(evaluate_space<BLACK>(pos, ei), Weights[Space]));
810         Tracing::write(Tracing::TOTAL, score);
811     }
812
813     return (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Eval::Tempo;
814   }
815
816
817   // Tracing functions
818
819   double Tracing::to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
820
821   void Tracing::write(int idx, Color c, Score s) { scores[c][idx] = s; }
822
823   void Tracing::write(int idx, Score w, Score b) {
824     scores[WHITE][idx] = w, scores[BLACK][idx] = b;
825   }
826
827   std::ostream& Tracing::operator<<(std::ostream& os, Term t) {
828
829     double wScore[] = { to_cp(mg_value(scores[WHITE][t])), to_cp(eg_value(scores[WHITE][t])) };
830     double bScore[] = { to_cp(mg_value(scores[BLACK][t])), to_cp(eg_value(scores[BLACK][t])) };
831
832     if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == Term(PAWN) || t == TOTAL)
833         os << "  ---   --- |   ---   --- | ";
834     else
835         os << std::setw(5) << wScore[MG] << " " << std::setw(5) << wScore[EG] << " | "
836            << std::setw(5) << bScore[MG] << " " << std::setw(5) << bScore[EG] << " | ";
837
838     os << std::setw(5) << wScore[MG] - bScore[MG] << " "
839        << std::setw(5) << wScore[EG] - bScore[EG] << " \n";
840
841     return os;
842   }
843
844   std::string Tracing::do_trace(const Position& pos) {
845
846     std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
847
848     Value v = do_evaluate<true>(pos);
849     v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
850
851     std::stringstream ss;
852     ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
853        << "      Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
854        << "                |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
855        << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
856        << "       Material | " << Term(MATERIAL)
857        << "      Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
858        << "          Pawns | " << Term(PAWN)
859        << "        Knights | " << Term(KNIGHT)
860        << "         Bishop | " << Term(BISHOP)
861        << "          Rooks | " << Term(ROOK)
862        << "         Queens | " << Term(QUEEN)
863        << "       Mobility | " << Term(MOBILITY)
864        << "    King safety | " << Term(KING)
865        << "        Threats | " << Term(THREAT)
866        << "   Passed pawns | " << Term(PASSED)
867        << "          Space | " << Term(SPACE)
868        << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
869        << "          Total | " << Term(TOTAL);
870
871     ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
872
873     return ss.str();
874   }
875
876 } // namespace
877
878
879 namespace Eval {
880
881   /// evaluate() is the main evaluation function. It returns a static evaluation
882   /// of the position always from the point of view of the side to move.
883
884   Value evaluate(const Position& pos) {
885     return do_evaluate<false>(pos);
886   }
887
888
889   /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
890   /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
891   /// descriptions and values of each evaluation term. It's mainly used for
892   /// debugging.
893   std::string trace(const Position& pos) {
894     return Tracing::do_trace(pos);
895   }
896
897
898   /// init() computes evaluation weights, usually at startup
899
900   void init() {
901
902     const double MaxSlope = 8.7;
903     const double Peak = 1280;
904     double t = 0.0;
905
906     for (int i = 1; i < 400; ++i)
907     {
908         t = std::min(Peak, std::min(0.027 * i * i, t + MaxSlope));
909         KingDanger[i] = apply_weight(make_score(int(t), 0), Weights[KingSafety]);
910     }
911   }
912
913 } // namespace Eval