Simplify mobility danger
[stockfish] / src / evaluate.cpp
1 /*
2   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
3   Copyright (C) 2004-2008 Tord Romstad (Glaurung author)
4   Copyright (C) 2008-2015 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5   Copyright (C) 2015-2018 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
6
7   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
10   (at your option) any later version.
11
12   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15   GNU General Public License for more details.
16
17   You should have received a copy of the GNU General Public License
18   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19 */
20
21 #include <algorithm>
22 #include <cassert>
23 #include <cstring>   // For std::memset
24 #include <iomanip>
25 #include <sstream>
26
27 #include "bitboard.h"
28 #include "evaluate.h"
29 #include "material.h"
30 #include "pawns.h"
31 #include "thread.h"
32
33 namespace Trace {
34
35   enum Tracing { NO_TRACE, TRACE };
36
37   enum Term { // The first 8 entries are reserved for PieceType
38     MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, INITIATIVE, TOTAL, TERM_NB
39   };
40
41   Score scores[TERM_NB][COLOR_NB];
42
43   double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
44
45   void add(int idx, Color c, Score s) {
46     scores[idx][c] = s;
47   }
48
49   void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
50     scores[idx][WHITE] = w;
51     scores[idx][BLACK] = b;
52   }
53
54   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Score s) {
55     os << std::setw(5) << to_cp(mg_value(s)) << " "
56        << std::setw(5) << to_cp(eg_value(s));
57     return os;
58   }
59
60   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
61
62     if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == INITIATIVE || t == TOTAL)
63         os << " ----  ----"    << " | " << " ----  ----";
64     else
65         os << scores[t][WHITE] << " | " << scores[t][BLACK];
66
67     os << " | " << scores[t][WHITE] - scores[t][BLACK] << "\n";
68     return os;
69   }
70 }
71
72 using namespace Trace;
73
74 namespace {
75
76   constexpr Bitboard QueenSide   = FileABB | FileBBB | FileCBB | FileDBB;
77   constexpr Bitboard CenterFiles = FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB;
78   constexpr Bitboard KingSide    = FileEBB | FileFBB | FileGBB | FileHBB;
79   constexpr Bitboard Center      = (FileDBB | FileEBB) & (Rank4BB | Rank5BB);
80
81   constexpr Bitboard KingFlank[FILE_NB] = {
82     QueenSide ^ FileDBB, QueenSide, QueenSide,
83     CenterFiles, CenterFiles,
84     KingSide, KingSide, KingSide ^ FileEBB
85   };
86
87   // Threshold for lazy and space evaluation
88   constexpr Value LazyThreshold  = Value(1500);
89   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
90
91   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
92   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 77, 55, 44, 10 };
93
94   // Penalties for enemy's safe checks
95   constexpr int QueenSafeCheck  = 780;
96   constexpr int RookSafeCheck   = 880;
97   constexpr int BishopSafeCheck = 435;
98   constexpr int KnightSafeCheck = 790;
99
100 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
101
102   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
103   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
104   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
105     { S(-62,-81), S(-53,-56), S(-12,-30), S( -4,-14), S(  3,  8), S( 13, 15), // Knights
106       S( 22, 23), S( 28, 27), S( 33, 33) },
107     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
108       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
109       S( 91, 88), S( 98, 97) },
110     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
111       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
112       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
113     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
114       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
115       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
116       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
117       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
118   };
119
120   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for minor
121   // pieces if they occupy or can reach an outpost square, bigger if that
122   // square is supported by a pawn.
123   constexpr Score Outpost[][2] = {
124     { S(22, 6), S(36,12) }, // Knight
125     { S( 9, 2), S(15, 5) }  // Bishop
126   };
127
128   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
129   // no (friendly) pawn on the rook file.
130   constexpr Score RookOnFile[] = { S(18, 7), S(44, 20) };
131
132   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
133   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
134   // pawn-defended are not considered.
135   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
136     S(0, 0), S(0, 31), S(39, 42), S(57, 44), S(68, 112), S(62, 120)
137   };
138
139   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
140     S(0, 0), S(0, 24), S(38, 71), S(38, 61), S(0, 38), S(51, 38)
141   };
142
143   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
144   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
145     S(0, 0), S(5, 18), S(12, 23), S(10, 31), S(57, 62), S(163, 167), S(271, 250)
146   };
147
148   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
149   constexpr Score PassedFile[FILE_NB] = {
150     S( -1,  7), S( 0,  9), S(-9, -8), S(-30,-14),
151     S(-30,-14), S(-9, -8), S( 0,  9), S( -1,  7)
152   };
153
154   // PassedDanger[Rank] contains a term to weight the passed score
155   constexpr int PassedDanger[RANK_NB] = { 0, 0, 0, 3, 7, 11, 20 };
156
157   // Assorted bonuses and penalties
158   constexpr Score BishopPawns        = S(  3,  7);
159   constexpr Score CloseEnemies       = S(  6,  0);
160   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
161   constexpr Score Hanging            = S( 57, 32);
162   constexpr Score KingProtector      = S(  6,  6);
163   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 21, 11);
164   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 46,  0);
165   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 16,  0);
166   constexpr Score Overload           = S( 13,  6);
167   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 19, 84);
168   constexpr Score RookOnPawn         = S( 10, 29);
169   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 42, 21);
170   constexpr Score ThreatByKing       = S( 22, 78);
171   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 45, 40);
172   constexpr Score ThreatByRank       = S( 16,  3);
173   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(173,102);
174   constexpr Score TrappedRook        = S( 96,  5);
175   constexpr Score WeakQueen          = S( 50, 10);
176   constexpr Score WeakUnopposedPawn  = S( 15, 19);
177
178 #undef S
179
180   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
181   template<Tracing T>
182   class Evaluation {
183
184   public:
185     Evaluation() = delete;
186     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
187     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
188     Value value();
189
190   private:
191     template<Color Us> void initialize();
192     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
193     template<Color Us> Score king() const;
194     template<Color Us> Score threats() const;
195     template<Color Us> Score passed() const;
196     template<Color Us> Score space() const;
197     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
198     Score initiative(Value eg) const;
199
200     const Position& pos;
201     Material::Entry* me;
202     Pawns::Entry* pe;
203     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
204     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
205
206     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
207     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
208     // is also calculated is ALL_PIECES.
209     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
210
211     // attackedBy2[color] are the squares attacked by 2 pieces of a given color,
212     // possibly via x-ray or by one pawn and one piece. Diagonal x-ray through
213     // pawn or squares attacked by 2 pawns are not explicitly added.
214     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
215
216     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king, plus (only for a
217     // king on its first rank) the squares two ranks in front. For instance,
218     // if black's king is on g8, kingRing[BLACK] is f8, h8, f7, g7, h7, f6, g6
219     // and h6. It is set to 0 when king safety evaluation is skipped.
220     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
221
222     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
223     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
224     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
225
226     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
227     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
228     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
229     // the KingAttackWeights array.
230     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
231
232     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
233     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
234     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
235     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
236     // to kingAttacksCount[WHITE].
237     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
238   };
239
240
241   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
242   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
243   template<Tracing T> template<Color Us>
244   void Evaluation<T>::initialize() {
245
246     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
247     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
248     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
249     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB: Rank7BB | Rank6BB);
250
251     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
252     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
253
254     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen, or controlled by enemy pawns
255     // are excluded from the mobility area.
256     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
257
258     // Initialise attackedBy bitboards for kings and pawns
259     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(Us));
260     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
261     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
262     attackedBy2[Us]            = attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN];
263
264     // Init our king safety tables only if we are going to use them
265     if (pos.non_pawn_material(Them) >= RookValueMg + KnightValueMg)
266     {
267         kingRing[Us] = attackedBy[Us][KING];
268         if (relative_rank(Us, pos.square<KING>(Us)) == RANK_1)
269             kingRing[Us] |= shift<Up>(kingRing[Us]);
270
271         if (file_of(pos.square<KING>(Us)) == FILE_H)
272             kingRing[Us] |= shift<WEST>(kingRing[Us]);
273
274         else if (file_of(pos.square<KING>(Us)) == FILE_A)
275             kingRing[Us] |= shift<EAST>(kingRing[Us]);
276
277         kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
278         kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
279     }
280     else
281         kingRing[Us] = kingAttackersCount[Them] = 0;
282   }
283
284
285   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
286   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
287   Score Evaluation<T>::pieces() {
288
289     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
290     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
291     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
292                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
293     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
294
295     Bitboard b, bb;
296     Square s;
297     Score score = SCORE_ZERO;
298
299     attackedBy[Us][Pt] = 0;
300
301     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
302     {
303         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
304         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
305           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
306                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
307
308         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
309             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
310
311         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
312         attackedBy[Us][Pt] |= b;
313         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
314
315         if (b & kingRing[Them])
316         {
317             kingAttackersCount[Us]++;
318             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
319             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
320         }
321
322         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
323
324         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
325
326         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
327         {
328             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
329             bb = OutpostRanks & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
330             if (bb & s)
331                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & s)] * 2;
332
333             else if (bb &= b & ~pos.pieces(Us))
334                 score += Outpost[Pt == BISHOP][bool(attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
335
336             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
337             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
338                 score += MinorBehindPawn;
339
340             // Penalty if the piece is far from the king
341             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
342
343             if (Pt == BISHOP)
344             {
345                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
346                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
347                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
348
349                 score -= BishopPawns * pe->pawns_on_same_color_squares(Us, s)
350                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
351
352                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
353                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
354                     score += LongDiagonalBishop;
355             }
356
357             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
358             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
359             // when that pawn is also blocked.
360             if (   Pt == BISHOP
361                 && pos.is_chess960()
362                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
363             {
364                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
365                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
366                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
367                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
368                                                                               : CorneredBishop;
369             }
370         }
371
372         if (Pt == ROOK)
373         {
374             // Bonus for aligning rook with enemy pawns on the same rank/file
375             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
376                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
377
378             // Bonus for rook on an open or semi-open file
379             if (pe->semiopen_file(Us, file_of(s)))
380                 score += RookOnFile[bool(pe->semiopen_file(Them, file_of(s)))];
381
382             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
383             else if (mob <= 3)
384             {
385                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
386                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
387                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
388             }
389         }
390
391         if (Pt == QUEEN)
392         {
393             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
394             Bitboard queenPinners;
395             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
396                 score -= WeakQueen;
397         }
398     }
399     if (T)
400         Trace::add(Pt, Us, score);
401
402     return score;
403   }
404
405
406   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
407   template<Tracing T> template<Color Us>
408   Score Evaluation<T>::king() const {
409
410     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
411     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
412                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
413
414     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
415     Bitboard kingFlank, weak, b, b1, b2, safe, unsafeChecks;
416
417     // King shelter and enemy pawns storm
418     Score score = pe->king_safety<Us>(pos, ksq);
419
420     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
421     // which are attacked twice in that flank but not defended by our pawns.
422     kingFlank = KingFlank[file_of(ksq)];
423     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & kingFlank & Camp;
424     b2 = b1 & attackedBy2[Them] & ~attackedBy[Us][PAWN];
425
426     int tropism = popcount(b1) + popcount(b2);
427
428     // Main king safety evaluation
429     if (kingAttackersCount[Them] > 1 - pos.count<QUEEN>(Them))
430     {
431         int kingDanger = 0;
432         unsafeChecks = 0;
433
434         // Attacked squares defended at most once by our queen or king
435         weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
436               & ~attackedBy2[Us]
437               & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
438
439         // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
440         safe  = ~pos.pieces(Them);
441         safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
442
443         b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
444         b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
445
446         // Enemy queen safe checks
447         if ((b1 | b2) & attackedBy[Them][QUEEN] & safe & ~attackedBy[Us][QUEEN])
448             kingDanger += QueenSafeCheck;
449
450         b1 &= attackedBy[Them][ROOK];
451         b2 &= attackedBy[Them][BISHOP];
452
453         // Enemy rooks checks
454         if (b1 & safe)
455             kingDanger += RookSafeCheck;
456         else
457             unsafeChecks |= b1;
458
459         // Enemy bishops checks
460         if (b2 & safe)
461             kingDanger += BishopSafeCheck;
462         else
463             unsafeChecks |= b2;
464
465         // Enemy knights checks
466         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
467         if (b & safe)
468             kingDanger += KnightSafeCheck;
469         else
470             unsafeChecks |= b;
471
472         // Unsafe or occupied checking squares will also be considered, as long as
473         // the square is in the attacker's mobility area.
474         unsafeChecks &= mobilityArea[Them];
475
476         kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
477                      +  69 * kingAttacksCount[Them]
478                      + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
479                      + 150 * popcount(pos.blockers_for_king(Us) | unsafeChecks)
480                      +   4 * tropism
481                      - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
482                      -   6 * mg_value(score) / 8
483                      +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
484                      -   30;
485
486         // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
487         if (kingDanger > 0)
488             score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
489     }
490
491     // Penalty when our king is on a pawnless flank
492     if (!(pos.pieces(PAWN) & kingFlank))
493         score -= PawnlessFlank;
494
495     // King tropism bonus, to anticipate slow motion attacks on our king
496     score -= CloseEnemies * tropism;
497
498     if (T)
499         Trace::add(KING, Us, score);
500
501     return score;
502   }
503
504
505   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
506   // attacking and the attacked pieces.
507   template<Tracing T> template<Color Us>
508   Score Evaluation<T>::threats() const {
509
510     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
511     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
512     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
513
514     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
515     Score score = SCORE_ZERO;
516
517     // Non-pawn enemies
518     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN);
519
520     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
521     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
522     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
523                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
524
525     // Non-pawn enemies, strongly protected
526     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
527
528     // Enemies not strongly protected and under our attack
529     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
530
531     // Safe or protected squares
532     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
533
534     // Bonus according to the kind of attacking pieces
535     if (defended | weak)
536     {
537         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
538         while (b)
539         {
540             Square s = pop_lsb(&b);
541             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
542             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
543                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
544         }
545
546         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
547         while (b)
548         {
549             Square s = pop_lsb(&b);
550             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
551             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
552                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
553         }
554
555         if (weak & attackedBy[Us][KING])
556             score += ThreatByKing;
557
558         score += Hanging * popcount(weak & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
559
560         b = weak & nonPawnEnemies & attackedBy[Them][ALL_PIECES];
561         score += Overload * popcount(b);
562     }
563
564     // Bonus for enemy unopposed weak pawns
565     if (pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
566         score += WeakUnopposedPawn * pe->weak_unopposed(Them);
567
568     // Find squares where our pawns can push on the next move
569     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
570     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
571
572     // Keep only the squares which are relatively safe
573     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
574
575     // Bonus for safe pawn threats on the next move
576     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & pos.pieces(Them);
577     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
578
579     // Our safe or protected pawns
580     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
581
582     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
583     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
584
585     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
586     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
587     {
588         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
589         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
590
591         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
592
593         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
594
595         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
596            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
597
598         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
599     }
600
601     if (T)
602         Trace::add(THREAT, Us, score);
603
604     return score;
605   }
606
607   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
608   // pawns of the given color.
609
610   template<Tracing T> template<Color Us>
611   Score Evaluation<T>::passed() const {
612
613     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
614     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
615
616     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
617       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
618     };
619
620     Bitboard b, bb, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
621     Score score = SCORE_ZERO;
622
623     b = pe->passed_pawns(Us);
624
625     while (b)
626     {
627         Square s = pop_lsb(&b);
628
629         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
630
631         int r = relative_rank(Us, s);
632         int w = PassedDanger[r];
633
634         Score bonus = PassedRank[r];
635
636         if (w)
637         {
638             Square blockSq = s + Up;
639
640             // Adjust bonus based on the king's proximity
641             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
642                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
643
644             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
645             if (r != RANK_7)
646                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
647
648             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
649             if (pos.empty(blockSq))
650             {
651                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
652                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
653                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
654                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
655
656                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
657
658                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
659                     defendedSquares &= attackedBy[Us][ALL_PIECES];
660
661                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
662                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
663
664                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
665                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
666                 int k = !unsafeSquares ? 20 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
667
668                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
669                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
670                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
671                     k += 6;
672
673                 else if (defendedSquares & blockSq)
674                     k += 4;
675
676                 bonus += make_score(k * w, k * w);
677             }
678         } // w != 0
679
680         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
681         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
682         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
683             || (pos.pieces(PAWN) & forward_file_bb(Us, s)))
684             bonus = bonus / 2;
685
686         score += bonus + PassedFile[file_of(s)];
687     }
688
689     if (T)
690         Trace::add(PASSED, Us, score);
691
692     return score;
693   }
694
695
696   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
697   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
698   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
699   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
700   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
701   // improve play on game opening.
702
703   template<Tracing T> template<Color Us>
704   Score Evaluation<T>::space() const {
705
706     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
707         return SCORE_ZERO;
708
709     constexpr Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
710     constexpr Bitboard SpaceMask =
711       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
712                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
713
714     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
715     Bitboard safe =   SpaceMask
716                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
717                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
718
719     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
720     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
721     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
722     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
723
724     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe);
725     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 2 * pe->open_files();
726
727     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
728
729     if (T)
730         Trace::add(SPACE, Us, score);
731
732     return score;
733   }
734
735
736   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
737   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
738   // known attacking/defending status of the players.
739
740   template<Tracing T>
741   Score Evaluation<T>::initiative(Value eg) const {
742
743     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
744                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
745
746     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
747                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
748
749     // Compute the initiative bonus for the attacking side
750     int complexity =   8 * pe->pawn_asymmetry()
751                     + 12 * pos.count<PAWN>()
752                     + 12 * outflanking
753                     + 16 * pawnsOnBothFlanks
754                     + 48 * !pos.non_pawn_material()
755                     -118 ;
756
757     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
758     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
759     // that the endgame score will never change sign after the bonus.
760     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
761
762     if (T)
763         Trace::add(INITIATIVE, make_score(0, v));
764
765     return make_score(0, v);
766   }
767
768
769   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
770
771   template<Tracing T>
772   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
773
774     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
775     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
776
777     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
778     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
779     {
780         if (   pos.opposite_bishops()
781             && pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
782             && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
783             sf = 8 + 4 * pe->pawn_asymmetry();
784         else
785             sf = std::min(40 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide), sf);
786
787     }
788
789     return ScaleFactor(sf);
790   }
791
792
793   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
794   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
795   // of view of the side to move.
796
797   template<Tracing T>
798   Value Evaluation<T>::value() {
799
800     assert(!pos.checkers());
801
802     // Probe the material hash table
803     me = Material::probe(pos);
804
805     // If we have a specialized evaluation function for the current material
806     // configuration, call it and return.
807     if (me->specialized_eval_exists())
808         return me->evaluate(pos);
809
810     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
811     // the position object (material + piece square tables) and the material
812     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
813     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
814
815     // Probe the pawn hash table
816     pe = Pawns::probe(pos);
817     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
818
819     // Early exit if score is high
820     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
821     if (abs(v) > LazyThreshold)
822        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
823
824     // Main evaluation begins here
825
826     initialize<WHITE>();
827     initialize<BLACK>();
828
829     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
830     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
831             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
832             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
833             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
834
835     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
836
837     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
838             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
839             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
840             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
841
842     score += initiative(eg_value(score));
843
844     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
845     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
846     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
847        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
848
849     v /= int(PHASE_MIDGAME);
850
851     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
852     if (T)
853     {
854         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
855         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
856         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
857         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
858         Trace::add(TOTAL, score);
859     }
860
861     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
862            + Eval::Tempo;
863   }
864
865 } // namespace
866
867
868 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
869 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
870
871 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
872   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
873 }
874
875
876 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
877 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
878 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
879
880 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
881
882   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
883
884   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
885
886   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
887
888   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
889
890   std::stringstream ss;
891   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
892      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
893      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
894      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
895      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
896      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
897      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
898      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
899      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
900      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
901      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
902      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
903      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
904      << " King safety | " << Term(KING)
905      << "     Threats | " << Term(THREAT)
906      << "      Passed | " << Term(PASSED)
907      << "       Space | " << Term(SPACE)
908      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
909      << "       Total | " << Term(TOTAL);
910
911   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
912
913   return ss.str();
914 }