fad0771db4aa3e04f1be929f70443f34c7d8b536
[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) 2015-2020 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
6
7   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
10   (at your option) any later version.
11
12   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15   GNU General Public License for more details.
16
17   You should have received a copy of the GNU General Public License
18   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19 */
20
21 #include <algorithm>
22 #include <cassert>
23 #include <cstring>   // For std::memset
24 #include <iomanip>
25 #include <sstream>
26
27 #include "bitboard.h"
28 #include "evaluate.h"
29 #include "material.h"
30 #include "pawns.h"
31 #include "thread.h"
32
33 namespace Trace {
34
35   enum Tracing { NO_TRACE, TRACE };
36
37   enum Term { // The first 8 entries are reserved for PieceType
38     MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, INITIATIVE, TOTAL, TERM_NB
39   };
40
41   Score scores[TERM_NB][COLOR_NB];
42
43   double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
44
45   void add(int idx, Color c, Score s) {
46     scores[idx][c] = s;
47   }
48
49   void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
50     scores[idx][WHITE] = w;
51     scores[idx][BLACK] = b;
52   }
53
54   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Score s) {
55     os << std::setw(5) << to_cp(mg_value(s)) << " "
56        << std::setw(5) << to_cp(eg_value(s));
57     return os;
58   }
59
60   std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
61
62     if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == INITIATIVE || t == TOTAL)
63         os << " ----  ----"    << " | " << " ----  ----";
64     else
65         os << scores[t][WHITE] << " | " << scores[t][BLACK];
66
67     os << " | " << scores[t][WHITE] - scores[t][BLACK] << "\n";
68     return os;
69   }
70 }
71
72 using namespace Trace;
73
74 namespace {
75
76   // Threshold for lazy and space evaluation
77   constexpr Value LazyThreshold  = Value(1400);
78   constexpr Value SpaceThreshold = Value(12222);
79
80   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
81   constexpr int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 81, 52, 44, 10 };
82
83   // Penalties for enemy's safe checks
84   constexpr int QueenSafeCheck  = 780;
85   constexpr int RookSafeCheck   = 1080;
86   constexpr int BishopSafeCheck = 635;
87   constexpr int KnightSafeCheck = 790;
88
89 #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
90
91   // MobilityBonus[PieceType-2][attacked] contains bonuses for middle and end game,
92   // indexed by piece type and number of attacked squares in the mobility area.
93   constexpr Score MobilityBonus[][32] = {
94     { S(-62,-81), S(-53,-56), S(-12,-30), S( -4,-14), S(  3,  8), S( 13, 15), // Knights
95       S( 22, 23), S( 28, 27), S( 33, 33) },
96     { S(-48,-59), S(-20,-23), S( 16, -3), S( 26, 13), S( 38, 24), S( 51, 42), // Bishops
97       S( 55, 54), S( 63, 57), S( 63, 65), S( 68, 73), S( 81, 78), S( 81, 86),
98       S( 91, 88), S( 98, 97) },
99     { S(-58,-76), S(-27,-18), S(-15, 28), S(-10, 55), S( -5, 69), S( -2, 82), // Rooks
100       S(  9,112), S( 16,118), S( 30,132), S( 29,142), S( 32,155), S( 38,165),
101       S( 46,166), S( 48,169), S( 58,171) },
102     { S(-39,-36), S(-21,-15), S(  3,  8), S(  3, 18), S( 14, 34), S( 22, 54), // Queens
103       S( 28, 61), S( 41, 73), S( 43, 79), S( 48, 92), S( 56, 94), S( 60,104),
104       S( 60,113), S( 66,120), S( 67,123), S( 70,126), S( 71,133), S( 73,136),
105       S( 79,140), S( 88,143), S( 88,148), S( 99,166), S(102,170), S(102,175),
106       S(106,184), S(109,191), S(113,206), S(116,212) }
107   };
108
109   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is
110   // no (friendly) pawn on the rook file.
111   constexpr Score RookOnFile[] = { S(21, 4), S(47, 25) };
112
113   // ThreatByMinor/ByRook[attacked PieceType] contains bonuses according to
114   // which piece type attacks which one. Attacks on lesser pieces which are
115   // pawn-defended are not considered.
116   constexpr Score ThreatByMinor[PIECE_TYPE_NB] = {
117     S(0, 0), S(6, 32), S(59, 41), S(79, 56), S(90, 119), S(79, 161)
118   };
119
120   constexpr Score ThreatByRook[PIECE_TYPE_NB] = {
121     S(0, 0), S(3, 44), S(38, 71), S(38, 61), S(0, 38), S(51, 38)
122   };
123
124   // PassedRank[Rank] contains a bonus according to the rank of a passed pawn
125   constexpr Score PassedRank[RANK_NB] = {
126     S(0, 0), S(10, 28), S(17, 33), S(15, 41), S(62, 72), S(168, 177), S(276, 260)
127   };
128
129   // 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( 30, 21);
139   constexpr Score PassedFile         = S( 11,  8);
140   constexpr Score PawnlessFlank      = S( 17, 95);
141   constexpr Score RestrictedPiece    = S(  7,  7);
142   constexpr Score ReachableOutpost   = S( 32, 10);
143   constexpr Score RookOnQueenFile    = S(  7,  6);
144   constexpr Score SliderOnQueen      = S( 59, 18);
145   constexpr Score ThreatByKing       = S( 24, 89);
146   constexpr Score ThreatByPawnPush   = S( 48, 39);
147   constexpr Score ThreatBySafePawn   = S(173, 94);
148   constexpr Score TrappedRook        = S( 52, 30);
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(Score score) 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   = pawn_push(Us);
218     constexpr Direction Down = -Up;
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, by blockers to attacks on our king
229     // or controlled by enemy pawns are excluded from the mobility area.
230     mobilityArea[Us] = ~(b | pos.pieces(Us, KING, QUEEN) | pos.blockers_for_king(Us) | 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     Square s = make_square(clamp(file_of(ksq), FILE_B, FILE_G),
240                            clamp(rank_of(ksq), RANK_2, RANK_7));
241     kingRing[Us] = PseudoAttacks[KING][s] | s;
242
243     kingAttackersCount[Them] = popcount(kingRing[Us] & pe->pawn_attacks(Them));
244     kingAttacksCount[Them] = kingAttackersWeight[Them] = 0;
245
246     // Remove from kingRing[] the squares defended by two pawns
247     kingRing[Us] &= ~dblAttackByPawn;
248   }
249
250
251   // Evaluation::pieces() scores pieces of a given color and type
252   template<Tracing T> template<Color Us, PieceType Pt>
253   Score Evaluation<T>::pieces() {
254
255     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
256     constexpr Direction Down = -pawn_push(Us);
257     constexpr Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
258                                                    : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
259     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
260
261     Bitboard b, bb;
262     Score score = SCORE_ZERO;
263
264     attackedBy[Us][Pt] = 0;
265
266     for (Square s = *pl; s != SQ_NONE; s = *++pl)
267     {
268         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
269         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN))
270           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(QUEEN) ^ pos.pieces(Us, ROOK))
271                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
272
273         if (pos.blockers_for_king(Us) & s)
274             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
275
276         attackedBy2[Us] |= attackedBy[Us][ALL_PIECES] & b;
277         attackedBy[Us][Pt] |= b;
278         attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= b;
279
280         if (b & kingRing[Them])
281         {
282             kingAttackersCount[Us]++;
283             kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
284             kingAttacksCount[Us] += popcount(b & attackedBy[Them][KING]);
285         }
286
287         int mob = popcount(b & mobilityArea[Us]);
288
289         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt - 2][mob];
290
291         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
292         {
293             // Bonus if piece is on an outpost square or can reach one
294             bb = OutpostRanks & attackedBy[Us][PAWN] & ~pe->pawn_attacks_span(Them);
295             if (bb & s)
296                 score += Outpost * (Pt == KNIGHT ? 2 : 1);
297
298             else if (Pt == KNIGHT && bb & b & ~pos.pieces(Us))
299                 score += ReachableOutpost;
300
301             // Knight and Bishop bonus for being right behind a pawn
302             if (shift<Down>(pos.pieces(PAWN)) & s)
303                 score += MinorBehindPawn;
304
305             // Penalty if the piece is far from the king
306             score -= KingProtector * distance(s, pos.square<KING>(Us));
307
308             if (Pt == BISHOP)
309             {
310                 // Penalty according to number of pawns on the same color square as the
311                 // bishop, bigger when the center files are blocked with pawns.
312                 Bitboard blocked = pos.pieces(Us, PAWN) & shift<Down>(pos.pieces());
313
314                 score -= BishopPawns * pos.pawns_on_same_color_squares(Us, s)
315                                      * (1 + popcount(blocked & CenterFiles));
316
317                 // Bonus for bishop on a long diagonal which can "see" both center squares
318                 if (more_than_one(attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces(PAWN)) & Center))
319                     score += LongDiagonalBishop;
320
321                 // An important Chess960 pattern: a cornered bishop blocked by a friendly
322                 // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
323                 // when that pawn is also blocked.
324                 if (   pos.is_chess960()
325                     && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
326                 {
327                     Direction d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? EAST : WEST);
328                     if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
329                         score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? CorneredBishop * 4
330                                 : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? CorneredBishop * 2
331                                                                                   : CorneredBishop;
332                 }
333             }
334         }
335
336         if (Pt == ROOK)
337         {
338             // Bonus for rook on the same file as a queen
339             if (file_bb(s) & pos.pieces(QUEEN))
340                 score += RookOnQueenFile;
341
342             // Bonus for rook on an open or semi-open file
343             if (pos.is_on_semiopen_file(Us, s))
344                 score += RookOnFile[pos.is_on_semiopen_file(Them, s)];
345
346             // Penalty when trapped by the king, even more if the king cannot castle
347             else if (mob <= 3)
348             {
349                 File kf = file_of(pos.square<KING>(Us));
350                 if ((kf < FILE_E) == (file_of(s) < kf))
351                     score -= TrappedRook * (1 + !pos.castling_rights(Us));
352             }
353         }
354
355         if (Pt == QUEEN)
356         {
357             // Penalty if any relative pin or discovered attack against the queen
358             Bitboard queenPinners;
359             if (pos.slider_blockers(pos.pieces(Them, ROOK, BISHOP), s, queenPinners))
360                 score -= WeakQueen;
361         }
362     }
363     if (T)
364         Trace::add(Pt, Us, score);
365
366     return score;
367   }
368
369
370   // Evaluation::king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
371   template<Tracing T> template<Color Us>
372   Score Evaluation<T>::king() const {
373
374     constexpr Color    Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
375     constexpr Bitboard Camp = (Us == WHITE ? AllSquares ^ Rank6BB ^ Rank7BB ^ Rank8BB
376                                            : AllSquares ^ Rank1BB ^ Rank2BB ^ Rank3BB);
377
378     Bitboard weak, b1, b2, b3, safe, unsafeChecks = 0;
379     Bitboard rookChecks, queenChecks, bishopChecks, knightChecks;
380     int kingDanger = 0;
381     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
382
383     // Init the score with king shelter and enemy pawns storm
384     Score score = pe->king_safety<Us>(pos);
385
386     // Attacked squares defended at most once by our queen or king
387     weak =  attackedBy[Them][ALL_PIECES]
388           & ~attackedBy2[Us]
389           & (~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][KING] | attackedBy[Us][QUEEN]);
390
391     // Analyse the safe enemy's checks which are possible on next move
392     safe  = ~pos.pieces(Them);
393     safe &= ~attackedBy[Us][ALL_PIECES] | (weak & attackedBy2[Them]);
394
395     b1 = attacks_bb<ROOK  >(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
396     b2 = attacks_bb<BISHOP>(ksq, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN));
397
398     // Enemy rooks checks
399     rookChecks = b1 & safe & attackedBy[Them][ROOK];
400
401     if (rookChecks)
402         kingDanger += RookSafeCheck;
403     else
404         unsafeChecks |= b1 & attackedBy[Them][ROOK];
405
406     // Enemy queen safe checks: we count them only if they are from squares from
407     // which we can't give a rook check, because rook checks are more valuable.
408     queenChecks =  (b1 | b2)
409                  & attackedBy[Them][QUEEN]
410                  & safe
411                  & ~attackedBy[Us][QUEEN]
412                  & ~rookChecks;
413
414     if (queenChecks)
415         kingDanger += QueenSafeCheck;
416
417     // Enemy bishops checks: we count them only if they are from squares from
418     // which we can't give a queen check, because queen checks are more valuable.
419     bishopChecks =  b2
420                   & attackedBy[Them][BISHOP]
421                   & safe
422                   & ~queenChecks;
423
424     if (bishopChecks)
425         kingDanger += BishopSafeCheck;
426     else
427         unsafeChecks |= b2 & attackedBy[Them][BISHOP];
428
429     // Enemy knights checks
430     knightChecks = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & attackedBy[Them][KNIGHT];
431
432     if (knightChecks & safe)
433         kingDanger += KnightSafeCheck;
434     else
435         unsafeChecks |= knightChecks;
436
437     // Find the squares that opponent attacks in our king flank, the squares
438     // which they attack twice in that flank, and the squares that we defend.
439     b1 = attackedBy[Them][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
440     b2 = b1 & attackedBy2[Them];
441     b3 = attackedBy[Us][ALL_PIECES] & KingFlank[file_of(ksq)] & Camp;
442
443     int kingFlankAttack = popcount(b1) + popcount(b2);
444     int kingFlankDefense = popcount(b3);
445
446     kingDanger +=        kingAttackersCount[Them] * kingAttackersWeight[Them]
447                  + 185 * popcount(kingRing[Us] & weak)
448                  + 148 * popcount(unsafeChecks)
449                  +  98 * popcount(pos.blockers_for_king(Us))
450                  +  69 * kingAttacksCount[Them]
451                  +   3 * kingFlankAttack * kingFlankAttack / 8
452                  +       mg_value(mobility[Them] - mobility[Us])
453                  - 873 * !pos.count<QUEEN>(Them)
454                  - 100 * bool(attackedBy[Us][KNIGHT] & attackedBy[Us][KING])
455                  -   6 * mg_value(score) / 8
456                  -   4 * kingFlankDefense
457                  +  37;
458
459     // Transform the kingDanger units into a Score, and subtract it from the evaluation
460     if (kingDanger > 100)
461         score -= make_score(kingDanger * kingDanger / 4096, kingDanger / 16);
462
463     // Penalty when our king is on a pawnless flank
464     if (!(pos.pieces(PAWN) & KingFlank[file_of(ksq)]))
465         score -= PawnlessFlank;
466
467     // Penalty if king flank is under attack, potentially moving toward the king
468     score -= FlankAttacks * kingFlankAttack;
469
470     if (T)
471         Trace::add(KING, Us, score);
472
473     return score;
474   }
475
476
477   // Evaluation::threats() assigns bonuses according to the types of the
478   // attacking and the attacked pieces.
479   template<Tracing T> template<Color Us>
480   Score Evaluation<T>::threats() const {
481
482     constexpr Color     Them     = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
483     constexpr Direction Up       = pawn_push(Us);
484     constexpr Bitboard  TRank3BB = (Us == WHITE ? Rank3BB : Rank6BB);
485
486     Bitboard b, weak, defended, nonPawnEnemies, stronglyProtected, safe;
487     Score score = SCORE_ZERO;
488
489     // Non-pawn enemies
490     nonPawnEnemies = pos.pieces(Them) & ~pos.pieces(PAWN);
491
492     // Squares strongly protected by the enemy, either because they defend the
493     // square with a pawn, or because they defend the square twice and we don't.
494     stronglyProtected =  attackedBy[Them][PAWN]
495                        | (attackedBy2[Them] & ~attackedBy2[Us]);
496
497     // Non-pawn enemies, strongly protected
498     defended = nonPawnEnemies & stronglyProtected;
499
500     // Enemies not strongly protected and under our attack
501     weak = pos.pieces(Them) & ~stronglyProtected & attackedBy[Us][ALL_PIECES];
502
503     // Bonus according to the kind of attacking pieces
504     if (defended | weak)
505     {
506         b = (defended | weak) & (attackedBy[Us][KNIGHT] | attackedBy[Us][BISHOP]);
507         while (b)
508             score += ThreatByMinor[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
509
510         b = weak & attackedBy[Us][ROOK];
511         while (b)
512             score += ThreatByRook[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
513
514         if (weak & attackedBy[Us][KING])
515             score += ThreatByKing;
516
517         b =  ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]
518            | (nonPawnEnemies & attackedBy2[Us]);
519         score += Hanging * popcount(weak & b);
520     }
521
522     // Bonus for restricting their piece moves
523     b =   attackedBy[Them][ALL_PIECES]
524        & ~stronglyProtected
525        &  attackedBy[Us][ALL_PIECES];
526
527     score += RestrictedPiece * popcount(b);
528
529     // Protected or unattacked squares
530     safe = ~attackedBy[Them][ALL_PIECES] | attackedBy[Us][ALL_PIECES];
531
532     // Bonus for attacking enemy pieces with our relatively safe pawns
533     b = pos.pieces(Us, PAWN) & safe;
534     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
535     score += ThreatBySafePawn * popcount(b);
536
537     // Find squares where our pawns can push on the next move
538     b  = shift<Up>(pos.pieces(Us, PAWN)) & ~pos.pieces();
539     b |= shift<Up>(b & TRank3BB) & ~pos.pieces();
540
541     // Keep only the squares which are relatively safe
542     b &= ~attackedBy[Them][PAWN] & safe;
543
544     // Bonus for safe pawn threats on the next move
545     b = pawn_attacks_bb<Us>(b) & nonPawnEnemies;
546     score += ThreatByPawnPush * popcount(b);
547
548     // Bonus for threats on the next moves against enemy queen
549     if (pos.count<QUEEN>(Them) == 1)
550     {
551         Square s = pos.square<QUEEN>(Them);
552         safe = mobilityArea[Us] & ~stronglyProtected;
553
554         b = attackedBy[Us][KNIGHT] & pos.attacks_from<KNIGHT>(s);
555
556         score += KnightOnQueen * popcount(b & safe);
557
558         b =  (attackedBy[Us][BISHOP] & pos.attacks_from<BISHOP>(s))
559            | (attackedBy[Us][ROOK  ] & pos.attacks_from<ROOK  >(s));
560
561         score += SliderOnQueen * popcount(b & safe & attackedBy2[Us]);
562     }
563
564     if (T)
565         Trace::add(THREAT, Us, score);
566
567     return score;
568   }
569
570   // Evaluation::passed() evaluates the passed pawns and candidate passed
571   // pawns of the given color.
572
573   template<Tracing T> template<Color Us>
574   Score Evaluation<T>::passed() const {
575
576     constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
577     constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
578
579     auto king_proximity = [&](Color c, Square s) {
580       return std::min(distance(pos.square<KING>(c), s), 5);
581     };
582
583     Bitboard b, bb, squaresToQueen, unsafeSquares;
584     Score score = SCORE_ZERO;
585
586     b = pe->passed_pawns(Us);
587
588     while (b)
589     {
590         Square s = pop_lsb(&b);
591
592         assert(!(pos.pieces(Them, PAWN) & forward_file_bb(Us, s + Up)));
593
594         int r = relative_rank(Us, s);
595
596         Score bonus = PassedRank[r];
597
598         if (r > RANK_3)
599         {
600             int w = 5 * r - 13;
601             Square blockSq = s + Up;
602
603             // Adjust bonus based on the king's proximity
604             bonus += make_score(0, (  (king_proximity(Them, blockSq) * 19) / 4
605                                      - king_proximity(Us,   blockSq) *  2) * w);
606
607             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
608             if (r != RANK_7)
609                 bonus -= make_score(0, king_proximity(Us, blockSq + Up) * w);
610
611             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
612             if (pos.empty(blockSq))
613             {
614                 squaresToQueen = forward_file_bb(Us, s);
615                 unsafeSquares = passed_pawn_span(Us, s);
616
617                 bb = forward_file_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN);
618
619                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
620                     unsafeSquares &= attackedBy[Them][ALL_PIECES];
621
622                 // If there are no enemy attacks on passed pawn span, assign a big bonus.
623                 // Otherwise assign a smaller bonus if the path to queen is not attacked
624                 // and even smaller bonus if it is attacked but block square is not.
625                 int k = !unsafeSquares                    ? 35 :
626                         !(unsafeSquares & squaresToQueen) ? 20 :
627                         !(unsafeSquares & blockSq)        ?  9 :
628                                                              0 ;
629
630                 // Assign a larger bonus if the block square is defended
631                 if ((pos.pieces(Us) & bb) || (attackedBy[Us][ALL_PIECES] & blockSq))
632                     k += 5;
633
634                 bonus += make_score(k * w, k * w);
635             }
636         } // r > RANK_3
637
638         // Scale down bonus for candidate passers which need more than one
639         // pawn push to become passed, or have a pawn in front of them.
640         if (   !pos.pawn_passed(Us, s + Up)
641             || (pos.pieces(PAWN) & (s + Up)))
642             bonus = bonus / 2;
643
644         score += bonus - PassedFile * map_to_queenside(file_of(s));
645     }
646
647     if (T)
648         Trace::add(PASSED, Us, score);
649
650     return score;
651   }
652
653
654   // Evaluation::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
661   template<Tracing T> template<Color Us>
662   Score Evaluation<T>::space() const {
663
664     if (pos.non_pawn_material() < SpaceThreshold)
665         return SCORE_ZERO;
666
667     constexpr Color Them     = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
668     constexpr Direction Down = -pawn_push(Us);
669     constexpr Bitboard SpaceMask =
670       Us == WHITE ? CenterFiles & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
671                   : CenterFiles & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
672
673     // Find the available squares for our pieces inside the area defined by SpaceMask
674     Bitboard safe =   SpaceMask
675                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
676                    & ~attackedBy[Them][PAWN];
677
678     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
679     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
680     behind |= shift<Down>(behind);
681     behind |= shift<Down+Down>(behind);
682
683     int bonus = popcount(safe) + popcount(behind & safe & ~attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
684     int weight = pos.count<ALL_PIECES>(Us) - 1;
685     Score score = make_score(bonus * weight * weight / 16, 0);
686
687     if (T)
688         Trace::add(SPACE, Us, score);
689
690     return score;
691   }
692
693
694   // Evaluation::initiative() computes the initiative correction value
695   // for the position. It is a second order bonus/malus based on the
696   // known attacking/defending status of the players.
697
698   template<Tracing T>
699   Score Evaluation<T>::initiative(Score score) const {
700
701     Value mg = mg_value(score);
702     Value eg = eg_value(score);
703
704     int outflanking =  distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK))
705                      - distance<Rank>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
706
707     bool infiltration =   rank_of(pos.square<KING>(WHITE)) > RANK_4
708                        || rank_of(pos.square<KING>(BLACK)) < RANK_5;
709
710     bool pawnsOnBothFlanks =   (pos.pieces(PAWN) & QueenSide)
711                             && (pos.pieces(PAWN) & KingSide);
712
713     bool almostUnwinnable =   !pe->passed_count()
714                            &&  outflanking < 0
715                            && !pawnsOnBothFlanks;
716
717     // Compute the initiative bonus for the attacking side
718     int complexity =   9 * pe->passed_count()
719                     + 11 * pos.count<PAWN>()
720                     +  9 * outflanking
721                     + 12 * infiltration
722                     + 21 * pawnsOnBothFlanks
723                     + 51 * !pos.non_pawn_material()
724                     - 43 * almostUnwinnable
725                     - 100 ;
726
727     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting the
728     // sign of the midgame or endgame values, and that we carefully cap the bonus
729     // so that the midgame and endgame scores do not change sign after the bonus.
730     int u = ((mg > 0) - (mg < 0)) * std::max(std::min(complexity + 50, 0), -abs(mg));
731     int v = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(complexity, -abs(eg));
732
733     if (T)
734         Trace::add(INITIATIVE, make_score(u, v));
735
736     return make_score(u, v);
737   }
738
739
740   // Evaluation::scale_factor() computes the scale factor for the winning side
741
742   template<Tracing T>
743   ScaleFactor Evaluation<T>::scale_factor(Value eg) const {
744
745     Color strongSide = eg > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
746     int sf = me->scale_factor(pos, strongSide);
747
748     // If scale is not already specific, scale down the endgame via general heuristics
749     if (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL)
750     {
751         if (   pos.opposite_bishops()
752             && pos.non_pawn_material() == 2 * BishopValueMg)
753             sf = 22 ;
754         else
755             sf = std::min(sf, 36 + (pos.opposite_bishops() ? 2 : 7) * pos.count<PAWN>(strongSide));
756
757         sf = std::max(0, sf - (pos.rule50_count() - 12) / 4);
758     }
759
760     return ScaleFactor(sf);
761   }
762
763
764   // Evaluation::value() is the main function of the class. It computes the various
765   // parts of the evaluation and returns the value of the position from the point
766   // of view of the side to move.
767
768   template<Tracing T>
769   Value Evaluation<T>::value() {
770
771     assert(!pos.checkers());
772
773     // Probe the material hash table
774     me = Material::probe(pos);
775
776     // If we have a specialized evaluation function for the current material
777     // configuration, call it and return.
778     if (me->specialized_eval_exists())
779         return me->evaluate(pos);
780
781     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
782     // the position object (material + piece square tables) and the material
783     // imbalance. Score is computed internally from the white point of view.
784     Score score = pos.psq_score() + me->imbalance() + pos.this_thread()->contempt;
785
786     // Probe the pawn hash table
787     pe = Pawns::probe(pos);
788     score += pe->pawn_score(WHITE) - pe->pawn_score(BLACK);
789
790     // Early exit if score is high
791     Value v = (mg_value(score) + eg_value(score)) / 2;
792     if (abs(v) > LazyThreshold + pos.non_pawn_material() / 64)
793        return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
794
795     // Main evaluation begins here
796
797     initialize<WHITE>();
798     initialize<BLACK>();
799
800     // Pieces should be evaluated first (populate attack tables)
801     score +=  pieces<WHITE, KNIGHT>() - pieces<BLACK, KNIGHT>()
802             + pieces<WHITE, BISHOP>() - pieces<BLACK, BISHOP>()
803             + pieces<WHITE, ROOK  >() - pieces<BLACK, ROOK  >()
804             + pieces<WHITE, QUEEN >() - pieces<BLACK, QUEEN >();
805
806     score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
807
808     score +=  king<   WHITE>() - king<   BLACK>()
809             + threats<WHITE>() - threats<BLACK>()
810             + passed< WHITE>() - passed< BLACK>()
811             + space<  WHITE>() - space<  BLACK>();
812
813     score += initiative(score);
814
815     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
816     ScaleFactor sf = scale_factor(eg_value(score));
817     v =  mg_value(score) * int(me->game_phase())
818        + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
819
820     v /= PHASE_MIDGAME;
821
822     // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
823     if (T)
824     {
825         Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
826         Trace::add(IMBALANCE, me->imbalance());
827         Trace::add(PAWN, pe->pawn_score(WHITE), pe->pawn_score(BLACK));
828         Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
829         Trace::add(TOTAL, score);
830     }
831
832     return  (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) // Side to move point of view
833            + Eval::Tempo;
834   }
835
836 } // namespace
837
838
839 /// evaluate() is the evaluator for the outer world. It returns a static
840 /// evaluation of the position from the point of view of the side to move.
841
842 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
843   return Evaluation<NO_TRACE>(pos).value();
844 }
845
846
847 /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
848 /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
849 /// descriptions and values of each evaluation term. Useful for debugging.
850
851 std::string Eval::trace(const Position& pos) {
852
853   if (pos.checkers())
854       return "Total evaluation: none (in check)";
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 }