edebb2695656ae6309549bda4c69f72a5e04a8f4
[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, 77, 55, 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(18, 7), S(44, 20) };
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(0, 31), S(39, 42), S(57, 44), S(68, 112), S(62, 120)
118   };
119
120   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
121     S(0, 0), S(0, 24), 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   // Assorted bonuses and penalties
130   constexpr Score BishopPawns        = S(  3,  7);
131   constexpr Score CorneredBishop     = S( 50, 50);
132   constexpr Score FlankAttacks       = S(  8,  0);
133   constexpr Score Hanging            = S( 69, 36);
134   constexpr Score KingProtector      = S(  7,  8);
135   constexpr Score KnightOnQueen      = S( 16, 12);
136   constexpr Score LongDiagonalBishop = S( 45,  0);
137   constexpr Score MinorBehindPawn    = S( 18,  3);
138   constexpr Score Outpost            = S( 18,  6);
139   constexpr Score PassedFile         = S( 11,  8);
140   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 17, 95);
141   constexpr Score RestrictedPiece    = S(  7,  7);
142   constexpr Score RookOnPawn         = S( 10, 32);
143   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 59, 18);
144   constexpr Score ThreatByKing       = S( 24, 89);
145   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 48, 39);
146   constexpr Score ThreatByRank       = S( 13,  0);
147   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(173, 94);
148   constexpr Score TrappedRook        = S( 47,  4);
149   constexpr Score WeakQueen          = S( 49, 15);
150
151 #undef S
152
153   // Evaluation class computes and stores attacks tables and other working data
154   template<Tracing T>
155   class Evaluation {
156
157   public:
158     Evaluation() = delete;
159     explicit Evaluation(const Position& p) : pos(p) {}
160     Evaluation& operator=(const Evaluation&) = delete;
161     Value value();
162
163   private:
164     template<Color Us> void initialize();
165     template<Color Us, PieceType Pt> Score pieces();
166     template<Color Us> Score king() const;
167     template<Color Us> Score threats() const;
168     template<Color Us> Score passed() const;
169     template<Color Us> Score space() const;
170     ScaleFactor scale_factor(Value eg) const;
171     Score initiative(Value eg) const;
172
173     const Position& pos;
174     Material::Entry* me;
175     Pawns::Entry* pe;
176     Bitboard mobilityArea[COLOR_NB];
177     Score mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
178
179     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
180     // attacked by a given color and piece type. Special "piece types" which
181     // is also calculated is ALL_PIECES.
182     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
183
184     // attackedBy2[color] are the squares attacked by at least 2 units of a given
185     // color, including x-rays. But diagonal x-rays through pawns are not computed.
186     Bitboard attackedBy2[COLOR_NB];
187
188     // kingRing[color] are the squares adjacent to the king plus some other
189     // very near squares, depending on king position.
190     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
191
192     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
193     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
194     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
195
196     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of
197     // the given color which attack a square in the kingRing of the enemy king.
198     // The weights of the individual piece types are given by the elements in
199     // the KingAttackWeights array.
200     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
201
202     // kingAttacksCount[color] is the number of attacks by the given color to
203     // squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack more
204     // than one square are counted multiple times. For instance, if there is
205     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
206     // to kingAttacksCount[WHITE].
207     int kingAttacksCount[COLOR_NB];
208   };
209
210
211   // Evaluation::initialize() computes king and pawn attacks, and the king ring
212   // bitboard for a given color. This is done at the beginning of the evaluation.
213   template<Tracing T> template<Color Us>
214   void Evaluation<T>::initialize() {
215
216     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
217     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
218     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
219     constexpr Bitboard LowRanks = (Us == WHITE ? Rank2BB | Rank3BB : Rank7BB | Rank6BB);
220
221     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
222
223     Bitboard dblAttackByPawn = pawn_double_attacks_bb<Us>(pos.pieces(Us, PAWN));
224
225     // Find our pawns that are blocked or on the first two ranks
226     Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN) & (shift<Down>(pos.pieces()) | LowRanks);
227
228     // Squares occupied by those pawns, by our king or queen or controlled by
229     // enemy pawns are excluded from the mobility area.
230     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pe->pawn_attacks(Them));
231
232     // Initialize attackedBy[] for king and pawns
233     attackedBy[Us][KING] = pos.attacks_from<KING>(ksq);
234     attackedBy[Us][PAWN] = pe->pawn_attacks(Us);
235     attackedBy[Us][ALL_PIECES] = attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][PAWN];
236     attackedBy2[Us] = dblAttackByPawn | (attackedBy[Us][KING] & attackedBy[Us][PAWN]);
237
238     // Init our king safety tables
239     kingRing[Us] = attackedBy[Us][KING];
240     if (relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
241         kingRing[Us] |= shift<Up>(kingRing[Us]);
242
243     if (file_of(ksq) == FILE_H)
244         kingRing[Us] |= shift<WEST>(kingRing[Us]);
245
246     else if (file_of(ksq) == FILE_A)
247         kingRing[Us] |= shift<EAST>(kingRing[Us]);
248
249     kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
250     kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
251
252     // Remove from kingRing[] the squares defended by two pawns
253     kingRing[Us] &= ~dblAttackByPawn;
254   }
255
256
257   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
258   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
259   Score Evaluation<T>::pieces() {
260
261     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
262     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
263     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
264                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
265     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
266
267     Bitboard b, bb;
268     Score score = SCORE_ZERO;
269
270     attackedBy[Us][Pt] = 0;
271
272     for (Square s = *pl; s != SQ_NONE; s = *++pl)
273     {
274         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
275         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
276           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
277                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
278
279         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
280             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
281
282         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
283         attackedBy[Us][Pt] |= b;
284         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
285
286         if (b & kingRing[Them])
287         {
288             kingAttackersCount[Us]++;
289             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
290             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
291         }
292
293         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
294
295         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
296
297         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
298         {
299             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
300             bb = OutpostRanks & attackedBy[Us][PAWN] & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
301             if (bb & s)
302                 score += Outpost * (Pt == KNIGHT ? 4 : 2);
303
304             else if (bb & b & ~pos.pieces(Us))
305                 score += Outpost * (Pt == KNIGHT ? 2 : 1);
306
307             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
308             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
309                 score += MinorBehindPawn;
310
311             // Penalty if the piece is far from the king
312             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
313
314             if (Pt == BISHOP)
315             {
316                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
317                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
318                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
319
320                 score -= BishopPawns * pos.pawns_on_same_color_squares(Us, s)
321                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
322
323                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
324                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
325                     score += LongDiagonalBishop;
326             }
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                 Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
336                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
337                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
338                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
339                                                                               : CorneredBishop;
340             }
341         }
342
343         if (Pt == ROOK)
344         {
345             // Bonus for aligning rook with enemy pawns on the same rank/file
346             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
347                 score += RookOnPawn * popcount(pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s]);
348
349             // Bonus for rook on an open or semi-open file
350             if (pos.is_on_semiopen_file(Us, s))
351                 score += RookOnFile[bool(pos.is_on_semiopen_file(Them, s))];
352
353             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
354             else if (mob <= 3)
355             {
356                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
357                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
358                     score -= TrappedRook * (1 + !pos.castling_rights(Us));
359             }
360         }
361
362         if (Pt == QUEEN)
363         {
364             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
365             Bitboard queenPinners;
366             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
367                 score -= WeakQueen;
368         }
369     }
370     if (T)
371         Trace::add(Pt, Us, score);
372
373     return score;
374   }
375
376
377   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
378   template<Tracing T> template<Color Us>
379   Score Evaluation<T>::king() const {
380
381     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
382     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
383                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
384
385     Bitboard weak, b1, b2, safe, unsafeChecks = 0;
386     Bitboard rookChecks, queenChecks, bishopChecks, knightChecks;
387     int kingDanger = 0;
388     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
389
390     // Init the score with king shelter and enemy pawns storm
391     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
392
393     // Attacked squares defended at most once by our queen or king
394     weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
395           & ~attackedBy2[Us]
396           & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
397
398     // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
399     safe  = ~pos.pieces(Them);
400     safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
401
402     b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
403     b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
404
405     // Enemy rooks checks
406     rookChecks = b1 & safe & attackedBy[Them][ROOK];
407
408     if (rookChecks)
409         kingDanger += RookSafeCheck;
410     else
411         unsafeChecks |= b1 & attackedBy[Them][ROOK];
412
413     // Enemy queen safe checks: we count them only if they are from squares from
414     // which we can't give a rook check, because rook checks are more valuable.
415     queenChecks =  (b1 | b2)
416                  & attackedBy[Them][QUEEN]
417                  & safe
418                  & ~attackedBy[Us][QUEEN]
419                  & ~rookChecks;
420
421     if (queenChecks)
422         kingDanger += QueenSafeCheck;
423
424     // Enemy bishops checks: we count them only if they are from squares from
425     // which we can't give a queen check, because queen checks are more valuable.
426     bishopChecks =  b2
427                   & attackedBy[Them][BISHOP]
428                   & safe
429                   & ~queenChecks;
430
431     if (bishopChecks)
432         kingDanger += BishopSafeCheck;
433     else
434         unsafeChecks |= b2 & attackedBy[Them][BISHOP];
435
436     // Enemy knights checks
437     knightChecks = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
438
439     if (knightChecks & safe)
440         kingDanger += KnightSafeCheck;
441     else
442         unsafeChecks |= knightChecks;
443
444     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, and the squares
445     // which are attacked twice in that flank.
446     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
447     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
448
449     int kingFlankAttacks = popcount(b1) + popcount(b2);
450
451     kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
452                  +  69 * kingAttacksCount[Them]
453                  + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
454                  - 100 * bool(attackedBy[Us][KNIGHT] & attackedBy[Us][KING])
455                  -  35 * bool(attackedBy[Us][BISHOP] & attackedBy[Us][KING])
456                  + 148 * popcount(unsafeChecks)
457                  +  98 * popcount(pos.blockers_for_king(Us))
458                  - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
459                  -   6 * mg_value(score) / 8
460                  +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
461                  +   5 * kingFlankAttacks * kingFlankAttacks / 16
462                  -   7;
463
464     // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
465     if (kingDanger > 100)
466         score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
467
468     // Penalty when our king is on a pawnless flank
469     if (!(pos.pieces(PAWN) & KingFlank[file_of(ksq)]))
470         score -= PawnlessFlank;
471
472     // Penalty if king flank is under attack, potentially moving toward the king
473     score -= FlankAttacks * kingFlankAttacks;
474
475     if (T)
476         Trace::add(KING, Us, score);
477
478     return score;
479   }
480
481
482   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
483   // attacking and the attacked pieces.
484   template<Tracing T> template<Color Us>
485   Score Evaluation<T>::threats() const {
486
487     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
488     constexpr Direction Up       = (Us == WHITE ? NORTH   : SOUTH);
489     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
490
491     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
492     Score score = SCORE_ZERO;
493
494     // Non-pawn enemies
495     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
496
497     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
498     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
499     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
500                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
501
502     // Non-pawn enemies, strongly protected
503     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
504
505     // Enemies not strongly protected and under our attack
506     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
507
508     // Safe or protected squares
509     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
510
511     // Bonus according to the kind of attacking pieces
512     if (defended | weak)
513     {
514         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
515         while (b)
516         {
517             Square s = pop_lsb(&b);
518             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(s))];
519             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
520                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
521         }
522
523         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
524         while (b)
525         {
526             Square s = pop_lsb(&b);
527             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(s))];
528             if (type_of(pos.piece_on(s)) != PAWN)
529                 score += ThreatByRank * (int)relative_rank(Them, s);
530         }
531
532         if (weak & attackedBy[Us][KING])
533             score += ThreatByKing;
534
535         b =  ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]
536            | (nonPawnEnemies & attackedBy2[Us]);
537         score += Hanging * popcount(weak & b);
538     }
539
540     // Bonus for restricting their piece moves
541     b =   attackedBy[Them][ALL_PIECES]
542        & ~stronglyProtected
543        &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
544
545     score += RestrictedPiece * popcount(b);
546
547     // Find squares where our pawns can push on the next move
548     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
549     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
550
551     // Keep only the squares which are relatively safe
552     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
553
554     // Bonus for safe pawn threats on the next move
555     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
556     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
557
558     // Our safe or protected pawns
559     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
560
561     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
562     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
563
564     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
565     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
566     {
567         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
568         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
569
570         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
571
572         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
573
574         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
575            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
576
577         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
578     }
579
580     if (T)
581         Trace::add(THREAT, Us, score);
582
583     return score;
584   }
585
586   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
587   // pawns of the given color.
588
589   template<Tracing T> template<Color Us>
590   Score Evaluation<T>::passed() const {
591
592     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
593     constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
594
595     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
596       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
597     };
598
599     Bitboard b, bb, squaresToQueen, unsafeSquares;
600     Score score = SCORE_ZERO;
601
602     b = pe->passed_pawns(Us);
603
604     while (b)
605     {
606         Square s = pop_lsb(&b);
607
608         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
609
610         int r = relative_rank(Us, s);
611         File f = file_of(s);
612
613         Score bonus = PassedRank[r];
614
615         if (r > RANK_3)
616         {
617             int w = 5 * r - 13;
618             Square blockSq = s + Up;
619
620             // Adjust bonus based on the king's proximity
621             bonus += make_score(0, (  king_proximity(Them, blockSq) * 5
622                                     - king_proximity(Us,   blockSq) * 2) * w);
623
624             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
625             if (r != RANK_7)
626                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
627
628             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
629             if (pos.empty(blockSq))
630             {
631                 squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
632                 unsafeSquares = passed_pawn_span(Us, s);
633
634                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN);
635
636                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
637                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES];
638
639                 // If there are no enemy attacks on passed pawn span, assign a big bonus.
640                 // Otherwise assign a smaller bonus if the path to queen is not attacked
641                 // and even smaller bonus if it is attacked but block square is not.
642                 int k = !unsafeSquares                    ? 35 :
643                         !(unsafeSquares & squaresToQueen) ? 20 :
644                         !(unsafeSquares & blockSq)        ?  9 :
645                                                              0 ;
646
647                 // Assign a larger bonus if the block square is defended
648                 if ((pos.pieces(Us) & bb) || (attackedBy[Us][ALL_PIECES] & blockSq))
649                     k += 5;
650
651                 bonus += make_score(k * w, k * w);
652             }
653         } // r > RANK_3
654
655         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
656         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
657         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
658             || (pos.pieces(PAWN) & (s + Up)))
659             bonus = bonus / 2;
660
661         score += bonus - PassedFile * std::min(f, ~f);
662     }
663
664     if (T)
665         Trace::add(PASSED, Us, score);
666
667     return score;
668   }
669
670
671   // Evaluation::space() computes the space evaluation for a given side. The
672   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
673   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
674   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
675   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
676   // improve play on game opening.
677
678   template<Tracing T> template<Color Us>
679   Score Evaluation<T>::space() const {
680
681     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
682         return SCORE_ZERO;
683
684     constexpr Color Them     = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
685     constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
686     constexpr Bitboard SpaceMask =
687       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
688                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
689
690     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
691     Bitboard safe =   SpaceMask
692                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
693                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
694
695     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
696     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
697     behind |= shift<Down>(behind);
698     behind |= shift<Down+Down>(behind);
699
700     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
701     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 1;
702     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
703
704     if (T)
705         Trace::add(SPACE, Us, score);
706
707     return score;
708   }
709
710
711   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
712   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
713   // known attacking/defending status of the players.
714
715   template<Tracing T>
716   Score Evaluation<T>::initiative(Value eg) const {
717
718     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
719                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
720
721     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
722                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
723
724     // Compute the initiative bonus for the attacking side
725     int complexity =   9 * pe->passed_count()
726                     + 11 * pos.count<PAWN>()
727                     +  9 * outflanking
728                     + 18 * pawnsOnBothFlanks
729                     + 49 * !pos.non_pawn_material()
730                     -103 ;
731
732     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
733     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
734     // that the endgame score will never change sign after the bonus.
735     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
736
737     if (T)
738         Trace::add(INITIATIVE, make_score(0, v));
739
740     return make_score(0, v);
741   }
742
743
744   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
745
746   template<Tracing T>
747   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
748
749     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
750     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
751
752     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
753     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
754     {
755         if (   pos.opposite_bishops()
756             && pos.non_pawn_material() == 2 * BishopValueMg)
757             sf = 16 + 4 * pe->passed_count();
758         else
759             sf = std::min(40 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide), sf);
760
761     }
762
763     return ScaleFactor(sf);
764   }
765
766
767   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
768   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
769   // of view of the side to move.
770
771   template<Tracing T>
772   Value Evaluation<T>::value() {
773
774     assert(!pos.checkers());
775
776     // Probe the material hash table
777     me = Material::probe(pos);
778
779     // If we have a specialized evaluation function for the current material
780     // configuration, call it and return.
781     if (me->specialized_eval_exists())
782         return me->evaluate(pos);
783
784     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
785     // the position object (material + piece square tables) and the material
786     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
787     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
788
789     // Probe the pawn hash table
790     pe = Pawns::probe(pos);
791     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
792
793     // Early exit if score is high
794     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
795     if (abs(v) > LazyThreshold + pos.non_pawn_material() / 64)
796        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
797
798     // Main evaluation begins here
799
800     initialize<WHITE>();
801     initialize<BLACK>();
802
803     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
804     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
805             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
806             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
807             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
808
809     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
810
811     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
812             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
813             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
814             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
815
816     score += initiative(eg_value(score));
817
818     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
819     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
820     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
821        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
822
823     v /= PHASE_MIDGAME;
824
825     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
826     if (T)
827     {
828         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
829         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
830         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
831         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
832         Trace::add(TOTAL, score);
833     }
834
835     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
836            + Eval::Tempo;
837   }
838
839 } // namespace
840
841
842 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
843 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
844
845 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
846   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
847 }
848
849
850 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
851 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
852 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
853
854 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
855
856   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
857
858   pos.this_thread()->contempt = SCORE_ZERO; // Reset any dynamic contempt
859
860   Value v = Evaluation<TRACE>(pos).value();
861
862   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // Trace scores are from white's point of view
863
864   std::stringstream ss;
865   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
866      << "     Term    |    White    |    Black    |    Total   \n"
867      << "             |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG \n"
868      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
869      << "    Material | " << Term(MATERIAL)
870      << "   Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
871      << "       Pawns | " << Term(PAWN)
872      << "     Knights | " << Term(KNIGHT)
873      << "     Bishops | " << Term(BISHOP)
874      << "       Rooks | " << Term(ROOK)
875      << "      Queens | " << Term(QUEEN)
876      << "    Mobility | " << Term(MOBILITY)
877      << " King safety | " << Term(KING)
878      << "     Threats | " << Term(THREAT)
879      << "      Passed | " << Term(PASSED)
880      << "       Space | " << Term(SPACE)
881      << "  Initiative | " << Term(INITIATIVE)
882      << " ------------+-------------+-------------+------------\n"
883      << "       Total | " << Term(TOTAL);
884
885   ss << "\nTotal evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
886
887   return ss.str();
888 }