fe020facbf2ac67e4f755872b64ab384f57e309e
[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) 2015-2016 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 "bitcount.h"
28 #include "evaluate.h"
29 #include "material.h"
30 #include "pawns.h"
31
32 namespace {
33
34   namespace Trace {
35
36     enum Term { // The first 8 entries are for PieceType
37       MATERIAL = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, TOTAL, TERM_NB
38     };
39
40     double scores[TERM_NB][COLOR_NB][PHASE_NB];
41
42     double to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
43
44     void add(int idx, Color c, Score s) {
45       scores[idx][c][MG] = to_cp(mg_value(s));
46       scores[idx][c][EG] = to_cp(eg_value(s));
47     }
48
49     void add(int idx, Score w, Score b = SCORE_ZERO) {
50       add(idx, WHITE, w); add(idx, BLACK, b);
51     }
52
53     std::ostream& operator<<(std::ostream& os, Term t) {
54
55       if (t == MATERIAL || t == IMBALANCE || t == Term(PAWN) || t == TOTAL)
56           os << "  ---   --- |   ---   --- | ";
57       else
58           os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] << " "
59              << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] << " | "
60              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][MG] << " "
61              << std::setw(5) << scores[t][BLACK][EG] << " | ";
62
63       os << std::setw(5) << scores[t][WHITE][MG] - scores[t][BLACK][MG] << " "
64          << std::setw(5) << scores[t][WHITE][EG] - scores[t][BLACK][EG] << " \n";
65
66       return os;
67     }
68   }
69
70   using namespace Trace;
71
72   // Struct EvalInfo contains various information computed and collected
73   // by the evaluation functions.
74   struct EvalInfo {
75
76     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
77     // attacked by a given color and piece type (can be also ALL_PIECES).
78     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
79
80     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
81     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
82     // adjacent to the king, and the three (or two, for a king on an edge file)
83     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
84     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
85     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
86     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
87
88     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
89     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
90     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
91
92     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weights" of the pieces of the
93     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
94     // weights of the individual piece types are given by the elements in the
95     // KingAttackWeights array.
96     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
97
98     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks by the given
99     // color to squares directly adjacent to the enemy king. Pieces which attack
100     // more than one square are counted multiple times. For instance, if there is
101     // a white knight on g5 and black's king is on g8, this white knight adds 2
102     // to kingAdjacentZoneAttacksCount[WHITE].
103     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
104
105     Bitboard pinnedPieces[COLOR_NB];
106     Material::Entry* me;
107     Pawns::Entry* pi;
108   };
109
110   #define V(v) Value(v)
111   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
112
113   // MobilityBonus[PieceType][attacked] contains bonuses for middle and end
114   // game, indexed by piece type and number of attacked squares in the MobilityArea.
115   const Score MobilityBonus[][32] = {
116     {}, {},
117     { S(-75,-76), S(-56,-54), S(- 9,-26), S( -2,-10), S(  6,  5), S( 15, 11), // Knights
118       S( 22, 26), S( 30, 28), S( 36, 29) },
119     { S(-48,-58), S(-21,-19), S( 16, -2), S( 26, 12), S( 37, 22), S( 51, 42), // Bishops
120       S( 54, 54), S( 63, 58), S( 65, 63), S( 71, 70), S( 79, 74), S( 81, 86),
121       S( 92, 90), S( 97, 94) },
122     { S(-56,-78), S(-25,-18), S(-11, 26), S( -5, 55), S( -4, 70), S( -1, 81), // Rooks
123       S(  8,109), S( 14,120), S( 21,128), S( 23,143), S( 31,154), S( 32,160),
124       S( 43,165), S( 49,168), S( 59,169) },
125     { S(-40,-35), S(-25,-12), S(  2,  7), S(  4, 19), S( 14, 37), S( 24, 55), // Queens
126       S( 25, 62), S( 40, 76), S( 43, 79), S( 47, 87), S( 54, 94), S( 56,102),
127       S( 60,111), S( 70,116), S( 72,118), S( 73,122), S( 75,128), S( 77,130),
128       S( 85,133), S( 94,136), S( 99,140), S(108,157), S(112,158), S(113,161),
129       S(118,174), S(119,177), S(123,191), S(128,199) }
130   };
131
132   // Outpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for knights and
133   // bishops outposts, bigger if outpost piece is supported by a pawn.
134   const Score Outpost[][2] = {
135     { S(42,11), S(63,17) }, // Knights
136     { S(18, 5), S(27, 8) }  // Bishops
137   };
138
139   // ReachableOutpost[knight/bishop][supported by pawn] contains bonuses for
140   // knights and bishops which can reach an outpost square in one move, bigger
141   // if outpost square is supported by a pawn.
142   const Score ReachableOutpost[][2] = {
143     { S(21, 5), S(31, 8) }, // Knights
144     { S( 8, 2), S(13, 4) }  // Bishops
145   };
146
147   // RookOnFile[semiopen/open] contains bonuses for each rook when there is no
148   // friendly pawn on the rook file.
149   const Score RookOnFile[2] = { S(19, 10), S(43, 21) };
150
151   // ThreatBySafePawn[PieceType] contains bonuses according to which piece
152   // type is attacked by a pawn which is protected or is not attacked.
153   const Score ThreatBySafePawn[PIECE_TYPE_NB] = {
154     S(0, 0), S(0, 0), S(176, 139), S(131, 127), S(217, 218), S(203, 215) };
155
156   // Threat[by minor/by rook][attacked PieceType] contains
157   // bonuses according to which piece type attacks which one.
158   // Attacks on lesser pieces which are pawn-defended are not considered.
159   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
160     { S(0, 0), S(0, 33), S(45, 43), S(46, 47), S(72,107), S(48,118) }, // by Minor
161     { S(0, 0), S(0, 25), S(40, 62), S(40, 59), S( 0, 34), S(35, 48) }  // by Rook
162   };
163
164   // ThreatByKing[on one/on many] contains bonuses for King attacks on
165   // pawns or pieces which are not pawn-defended.
166   const Score ThreatByKing[2] = { S(3, 62), S(9, 138) };
167
168   // Passed[mg/eg][Rank] contains midgame and endgame bonuses for passed pawns.
169   // We don't use a Score because we process the two components independently.
170   const Value Passed[][RANK_NB] = {
171     { V(0), V( 1), V(26), V(68), V(161), V(247) },
172     { V(7), V(14), V(38), V(64), V(137), V(193) }
173   };
174
175   // PassedFile[File] contains a bonus according to the file of a passed pawn
176   const Score PassedFile[FILE_NB] = {
177     S(  9, 10), S( 2, 10), S( 1, -8), S(-20,-12),
178     S(-20,-12), S( 1, -8), S( 2, 10), S( 9, 10)
179   };
180
181   // Assorted bonuses and penalties used by evaluation
182   const Score MinorBehindPawn     = S(16,  0);
183   const Score BishopPawns         = S( 8, 12);
184   const Score RookOnPawn          = S( 7, 27);
185   const Score TrappedRook         = S(92,  0);
186   const Score Checked             = S(20, 20);
187   const Score ThreatByHangingPawn = S(70, 63);
188   const Score Hanging             = S(48, 28);
189   const Score ThreatByPawnPush    = S(31, 19);
190   const Score Unstoppable         = S( 0, 20);
191
192   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
193   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
194   // happen in Chess960 games.
195   const Score TrappedBishopA1H1 = S(50, 50);
196
197   #undef S
198   #undef V
199
200   // King danger constants and variables. The king danger scores are looked-up
201   // in KingDanger[]. Various little "meta-bonuses" measuring the strength
202   // of the enemy attack are added up into an integer, which is used as an
203   // index to KingDanger[].
204   Score KingDanger[512];
205
206   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
207   const int KingAttackWeights[PIECE_TYPE_NB] = { 0, 0, 7, 5, 4, 1 };
208
209   // Penalties for enemy's safe checks
210   const int QueenContactCheck = 89;
211   const int QueenCheck        = 50;
212   const int RookCheck         = 45;
213   const int BishopCheck       = 6;
214   const int KnightCheck       = 14;
215
216
217   // eval_init() initializes king and attack bitboards for a given color
218   // adding pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
219
220   template<Color Us>
221   void eval_init(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
222
223     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK   : WHITE);
224     const Square Down = (Us == WHITE ? DELTA_S : DELTA_N);
225
226     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
227     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.square<KING>(Them));
228     ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] |= b;
229     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
230
231     // Init king safety tables only if we are going to use them
232     if (pos.non_pawn_material(Us) >= QueenValueMg)
233     {
234         ei.kingRing[Them] = b | shift_bb<Down>(b);
235         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
236         ei.kingAttackersCount[Us] = b ? popcount<Max15>(b) : 0;
237         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
238     }
239     else
240         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
241   }
242
243
244   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given
245   // color and type.
246
247   template<bool DoTrace, Color Us = WHITE, PieceType Pt = KNIGHT>
248   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility,
249                         const Bitboard* mobilityArea) {
250     Bitboard b, bb;
251     Square s;
252     Score score = SCORE_ZERO;
253
254     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
255     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
256     const Bitboard OutpostRanks = (Us == WHITE ? Rank4BB | Rank5BB | Rank6BB
257                                                : Rank5BB | Rank4BB | Rank3BB);
258     const Square* pl = pos.squares<Pt>(Us);
259
260     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
261
262     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
263     {
264         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
265         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
266           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
267                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
268
269         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
270             b &= LineBB[pos.square<KING>(Us)][s];
271
272         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
273
274         if (b & ei.kingRing[Them])
275         {
276             ei.kingAttackersCount[Us]++;
277             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
278             bb = b & ei.attackedBy[Them][KING];
279             if (bb)
280                 ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount<Max15>(bb);
281         }
282
283         if (Pt == QUEEN)
284             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
285                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
286                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
287
288         int mob = popcount<Pt == QUEEN ? Full : Max15>(b & mobilityArea[Us]);
289
290         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
291
292         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
293         {
294             // Bonus for outpost squares
295             bb = OutpostRanks & ~ei.pi->pawn_attacks_span(Them);
296             if (bb & s)
297                 score += Outpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & s)];
298             else
299             {
300                 bb &= b & ~pos.pieces(Us);
301                 if (bb)
302                    score += ReachableOutpost[Pt == BISHOP][!!(ei.attackedBy[Us][PAWN] & bb)];
303             }
304
305             // Bonus when behind a pawn
306             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
307                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
308                 score += MinorBehindPawn;
309
310             // Penalty for pawns on the same color square as the bishop
311             if (Pt == BISHOP)
312                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
313
314             // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
315             // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
316             // when that pawn is also blocked.
317             if (   Pt == BISHOP
318                 && pos.is_chess960()
319                 && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
320             {
321                 Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? DELTA_E : DELTA_W);
322                 if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
323                     score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
324                             : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
325                                                                               : TrappedBishopA1H1;
326             }
327         }
328
329         if (Pt == ROOK)
330         {
331             // Bonus for aligning with enemy pawns on the same rank/file
332             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
333             {
334                 Bitboard alignedPawns = pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s];
335                 if (alignedPawns)
336                     score += RookOnPawn * popcount<Max15>(alignedPawns);
337             }
338
339             // Bonus when on an open or semi-open file
340             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
341                 score += RookOnFile[!!ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s))];
342
343             // Penalize when trapped by the king, even more if the king cannot castle
344             else if (mob <= 3)
345             {
346                 Square ksq = pos.square<KING>(Us);
347
348                 if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
349                     && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
350                     && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
351                     score -= (TrappedRook - make_score(mob * 22, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
352             }
353         }
354     }
355
356     if (DoTrace)
357         Trace::add(Pt, Us, score);
358
359     // Recursively call evaluate_pieces() of next piece type until KING is excluded
360     return score - evaluate_pieces<DoTrace, Them, NextPt>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
361   }
362
363   template<>
364   Score evaluate_pieces<false, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
365   template<>
366   Score evaluate_pieces< true, WHITE, KING>(const Position&, EvalInfo&, Score*, const Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
367
368
369   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
370
371   template<Color Us, bool DoTrace>
372   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
373
374     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
375
376     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe;
377     int attackUnits;
378     const Square ksq = pos.square<KING>(Us);
379
380     // King shelter and enemy pawns storm
381     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
382
383     // Main king safety evaluation
384     if (ei.kingAttackersCount[Them])
385     {
386         // Find the attacked squares around the king which have no defenders
387         // apart from the king itself.
388         undefended =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
389                     & ei.attackedBy[Us][KING]
390                     & ~(  ei.attackedBy[Us][PAWN]   | ei.attackedBy[Us][KNIGHT]
391                         | ei.attackedBy[Us][BISHOP] | ei.attackedBy[Us][ROOK]
392                         | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
393
394         // Initialize the 'attackUnits' variable, which is used later on as an
395         // index into the KingDanger[] array. The initial value is based on the
396         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
397         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
398         // the pawn shelter (current 'score' value).
399         attackUnits =  std::min(72, ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them])
400                      +  9 * ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them]
401                      + 27 * popcount<Max15>(undefended)
402                      + 11 * !!ei.pinnedPieces[Us]
403                      - 64 * !pos.count<QUEEN>(Them)
404                      - mg_value(score) / 8;
405
406         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
407         // undefended squares around the king reachable by the enemy queen...
408         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
409         if (b)
410         {
411             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
412             b &=  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
413                 | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][ROOK]
414                 | ei.attackedBy[Them][KING];
415
416             if (b)
417                 attackUnits += QueenContactCheck * popcount<Max15>(b);
418         }
419
420         // Analyse the enemy's safe distance checks for sliders and knights
421         safe = ~(ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
422
423         b1 = pos.attacks_from<ROOK  >(ksq) & safe;
424         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq) & safe;
425
426         // Enemy queen safe checks
427         b = (b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN];
428         if (b)
429         {
430             attackUnits += QueenCheck * popcount<Max15>(b);
431             score -= Checked;
432         }
433
434         // Enemy rooks safe checks
435         b = b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK];
436         if (b)
437         {
438             attackUnits += RookCheck * popcount<Max15>(b);
439             score -= Checked;
440         }
441
442         // Enemy bishops safe checks
443         b = b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP];
444         if (b)
445         {
446             attackUnits += BishopCheck * popcount<Max15>(b);
447             score -= Checked;
448         }
449
450         // Enemy knights safe checks
451         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT] & safe;
452         if (b)
453         {
454             attackUnits += KnightCheck * popcount<Max15>(b);
455             score -= Checked;
456         }
457
458         // Finally, extract the king danger score from the KingDanger[]
459         // array and subtract the score from the evaluation.
460         score -= KingDanger[std::max(std::min(attackUnits, 399), 0)];
461     }
462
463     if (DoTrace)
464         Trace::add(KING, Us, score);
465
466     return score;
467   }
468
469
470   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the types of the attacking 
471   // and the attacked pieces.
472
473   template<Color Us, bool DoTrace>
474   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
475
476     const Color Them        = (Us == WHITE ? BLACK    : WHITE);
477     const Square Up         = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
478     const Square Left       = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
479     const Square Right      = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
480     const Bitboard TRank2BB = (Us == WHITE ? Rank2BB  : Rank7BB);
481     const Bitboard TRank7BB = (Us == WHITE ? Rank7BB  : Rank2BB);
482
483     enum { Minor, Rook };
484
485     Bitboard b, weak, defended, safeThreats;
486     Score score = SCORE_ZERO;
487
488     // Non-pawn enemies attacked by a pawn
489     weak = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Us][PAWN];
490
491     if (weak)
492     {
493         b = pos.pieces(Us, PAWN) & ( ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
494                                     | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
495
496         safeThreats = (shift_bb<Right>(b) | shift_bb<Left>(b)) & weak;
497
498         if (weak ^ safeThreats)
499             score += ThreatByHangingPawn;
500
501         while (safeThreats)
502             score += ThreatBySafePawn[type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&safeThreats)))];
503     }
504
505     // Non-pawn enemies defended by a pawn
506     defended = (pos.pieces(Them) ^ pos.pieces(Them, PAWN)) & ei.attackedBy[Them][PAWN];
507
508     // Enemies not defended by a pawn and under our attack
509     weak =   pos.pieces(Them)
510           & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
511           &  ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
512
513     // Add a bonus according to the kind of attacking pieces
514     if (defended | weak)
515     {
516         b = (defended | weak) & (ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
517         while (b)
518             score += Threat[Minor][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
519
520         b = (pos.pieces(Them, QUEEN) | weak) & ei.attackedBy[Us][ROOK];
521         while (b)
522             score += Threat[Rook ][type_of(pos.piece_on(pop_lsb(&b)))];
523
524         b = weak & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES];
525         if (b)
526             score += Hanging * popcount<Max15>(b);
527
528         b = weak & ei.attackedBy[Us][KING];
529         if (b)
530             score += ThreatByKing[more_than_one(b)];
531     }
532
533     // Bonus if some pawns can safely push and attack an enemy piece
534     b = pos.pieces(Us, PAWN) & ~TRank7BB;
535     b = shift_bb<Up>(b | (shift_bb<Up>(b & TRank2BB) & ~pos.pieces()));
536
537     b &=  ~pos.pieces()
538         & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
539         & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
540
541     b =  (shift_bb<Left>(b) | shift_bb<Right>(b))
542        &  pos.pieces(Them)
543        & ~ei.attackedBy[Us][PAWN];
544
545     if (b)
546         score += ThreatByPawnPush * popcount<Max15>(b);
547
548     if (DoTrace)
549         Trace::add(THREAT, Us, score);
550
551     return score;
552   }
553
554
555   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
556
557   template<Color Us, bool DoTrace>
558   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
559
560     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
561
562     Bitboard b, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
563     Score score = SCORE_ZERO;
564
565     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
566
567     while (b)
568     {
569         Square s = pop_lsb(&b);
570
571         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
572
573         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
574         int rr = r * (r - 1);
575
576         Value mbonus = Passed[MG][r], ebonus = Passed[EG][r];
577
578         if (rr)
579         {
580             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
581
582             // Adjust bonus based on the king's proximity
583             ebonus +=  distance(pos.square<KING>(Them), blockSq) * 5 * rr
584                      - distance(pos.square<KING>(Us  ), blockSq) * 2 * rr;
585
586             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
587             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
588                 ebonus -= distance(pos.square<KING>(Us), blockSq + pawn_push(Us)) * rr;
589
590             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
591             if (pos.empty(blockSq))
592             {
593                 // If there is a rook or queen attacking/defending the pawn from behind,
594                 // consider all the squaresToQueen. Otherwise consider only the squares
595                 // in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
596                 defendedSquares = unsafeSquares = squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
597
598                 Bitboard bb = forward_bb(Them, s) & pos.pieces(ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s);
599
600                 if (!(pos.pieces(Us) & bb))
601                     defendedSquares &= ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
602
603                 if (!(pos.pieces(Them) & bb))
604                     unsafeSquares &= ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them);
605
606                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
607                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
608                 int k = !unsafeSquares ? 18 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 8 : 0;
609
610                 // If the path to the queen is fully defended, assign a big bonus.
611                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
612                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
613                     k += 6;
614
615                 else if (defendedSquares & blockSq)
616                     k += 4;
617
618                 mbonus += k * rr * 3 / 4, ebonus += k * rr;
619             }
620             else if (pos.pieces(Us) & blockSq)
621                 mbonus += (rr * 3 + r * 2 + 3) * 3 / 4, ebonus += rr + r * 2;
622         } // rr != 0
623
624         if (pos.count<PAWN>(Us) < pos.count<PAWN>(Them))
625             ebonus += ebonus / 4;
626
627         score += make_score(mbonus, ebonus) + PassedFile[file_of(s)];
628     }
629
630     if (DoTrace)
631         Trace::add(PASSED, Us, score);
632
633     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
634     return score;
635   }
636
637
638   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
639   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
640   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
641   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
642   // twice. Finally, the space bonus is multiplied by a weight. The aim is to
643   // improve play on game opening.
644   template<Color Us>
645   Score evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
646
647     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
648     const Bitboard SpaceMask =
649       Us == WHITE ? (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB)
650                   : (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB);
651
652     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
653     // SpaceMask. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
654     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
655     Bitboard safe =   SpaceMask
656                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
657                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
658                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
659
660     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
661     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
662     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
663     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
664
665     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board...
666     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
667
668     // ...count safe + (behind & safe) with a single popcount
669     int bonus = popcount<Full>((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
670     int weight =  pos.count<KNIGHT>(Us) + pos.count<BISHOP>(Us)
671                 + pos.count<KNIGHT>(Them) + pos.count<BISHOP>(Them);
672
673     return make_score(bonus * weight * weight * 2 / 11, 0);
674   }
675
676
677   // evaluate_initiative() computes the initiative correction value for the
678   // position, i.e., second order bonus/malus based on the known attacking/defending
679   // status of the players.
680   Score evaluate_initiative(const Position& pos, int asymmetry, Value eg) {
681
682     int kingDistance = distance<File>(pos.square<KING>(WHITE), pos.square<KING>(BLACK));
683     int pawns = pos.count<PAWN>(WHITE) + pos.count<PAWN>(BLACK);
684
685     // Compute the initiative bonus for the attacking side
686     int initiative = 8 * (pawns + asymmetry + kingDistance - 15);
687
688     // Now apply the bonus: note that we find the attacking side by extracting
689     // the sign of the endgame value, and that we carefully cap the bonus so
690     // that the endgame score will never be divided by more than two.
691     int value = ((eg > 0) - (eg < 0)) * std::max(initiative, -abs(eg / 2));
692
693     return make_score(0, value);
694   }
695
696
697   // evaluate_scale_factor() computes the scale factor for the winning side
698   ScaleFactor evaluate_scale_factor(const Position& pos, const EvalInfo& ei, Score score) {
699
700     Color strongSide = eg_value(score) > VALUE_DRAW ? WHITE : BLACK;
701     ScaleFactor sf = ei.me->scale_factor(pos, strongSide);
702
703     // If we don't already have an unusual scale factor, check for certain
704     // types of endgames, and use a lower scale for those.
705     if (    ei.me->game_phase() < PHASE_MIDGAME
706         && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
707     {
708         if (pos.opposite_bishops())
709         {
710             // Endgame with opposite-colored bishops and no other pieces (ignoring pawns)
711             // is almost a draw, in case of KBP vs KB, it is even more a draw.
712             if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
713                 && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
714                 sf = more_than_one(pos.pieces(PAWN)) ? ScaleFactor(31) : ScaleFactor(9);
715
716             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
717             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
718             else
719                 sf = ScaleFactor(46 * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL);
720         }
721         // Endings where weaker side can place his king in front of the opponent's
722         // pawns are drawish.
723         else if (    abs(eg_value(score)) <= BishopValueEg
724                  &&  ei.pi->pawn_span(strongSide) <= 1
725                  && !pos.pawn_passed(~strongSide, pos.square<KING>(~strongSide)))
726             sf = ei.pi->pawn_span(strongSide) ? ScaleFactor(51) : ScaleFactor(37);
727     }
728
729     return sf;
730   }
731
732 } // namespace
733
734
735 /// evaluate() is the main evaluation function. It returns a static evaluation
736 /// of the position from the point of view of the side to move.
737
738 template<bool DoTrace>
739 Value Eval::evaluate(const Position& pos) {
740
741   assert(!pos.checkers());
742
743   EvalInfo ei;
744   Score score, mobility[COLOR_NB] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
745
746   // Initialize score by reading the incrementally updated scores included in
747   // the position object (material + piece square tables). Score is computed
748   // internally from the white point of view.
749   score = pos.psq_score();
750
751   // Probe the material hash table
752   ei.me = Material::probe(pos);
753   score += ei.me->imbalance();
754
755   // If we have a specialized evaluation function for the current material
756   // configuration, call it and return.
757   if (ei.me->specialized_eval_exists())
758       return ei.me->evaluate(pos);
759
760   // Probe the pawn hash table
761   ei.pi = Pawns::probe(pos);
762   score += ei.pi->pawns_score();
763
764   // Initialize attack and king safety bitboards
765   ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] = 0;
766   eval_init<WHITE>(pos, ei);
767   eval_init<BLACK>(pos, ei);
768
769   // Pawns blocked or on ranks 2 and 3 will be excluded from the mobility area
770   Bitboard blockedPawns[] = {
771     pos.pieces(WHITE, PAWN) & (shift_bb<DELTA_S>(pos.pieces()) | Rank2BB | Rank3BB),
772     pos.pieces(BLACK, PAWN) & (shift_bb<DELTA_N>(pos.pieces()) | Rank7BB | Rank6BB)
773   };
774
775   // Do not include in mobility area squares protected by enemy pawns, or occupied
776   // by our blocked pawns or king.
777   Bitboard mobilityArea[] = {
778     ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | blockedPawns[WHITE] | pos.square<KING>(WHITE)),
779     ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | blockedPawns[BLACK] | pos.square<KING>(BLACK))
780   };
781
782   // Evaluate all pieces but king and pawns
783   score += evaluate_pieces<DoTrace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
784   score += mobility[WHITE] - mobility[BLACK];
785
786   // Evaluate kings after all other pieces because we need full attack
787   // information when computing the king safety evaluation.
788   score +=  evaluate_king<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
789           - evaluate_king<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
790
791   // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
792   score +=  evaluate_threats<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
793           - evaluate_threats<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
794
795   // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
796   score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, DoTrace>(pos, ei)
797           - evaluate_passed_pawns<BLACK, DoTrace>(pos, ei);
798
799   // If both sides have only pawns, score for potential unstoppable pawns
800   if (!pos.non_pawn_material(WHITE) && !pos.non_pawn_material(BLACK))
801   {
802       Bitboard b;
803       if ((b = ei.pi->passed_pawns(WHITE)) != 0)
804           score += Unstoppable * int(relative_rank(WHITE, frontmost_sq(WHITE, b)));
805
806       if ((b = ei.pi->passed_pawns(BLACK)) != 0)
807           score -= Unstoppable * int(relative_rank(BLACK, frontmost_sq(BLACK, b)));
808   }
809
810   // Evaluate space for both sides, only during opening
811   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >= 12222)
812       score +=  evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
813               - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
814
815   // Evaluate position potential for the winning side
816   score += evaluate_initiative(pos, ei.pi->pawn_asymmetry(), eg_value(score));
817
818   // Evaluate scale factor for the winning side
819   ScaleFactor sf = evaluate_scale_factor(pos, ei, score);
820
821   // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
822   Value v =  mg_value(score) * int(ei.me->game_phase())
823            + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - ei.me->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
824
825   v /= int(PHASE_MIDGAME);
826
827   // In case of tracing add all remaining individual evaluation terms
828   if (DoTrace)
829   {
830       Trace::add(MATERIAL, pos.psq_score());
831       Trace::add(IMBALANCE, ei.me->imbalance());
832       Trace::add(PAWN, ei.pi->pawns_score());
833       Trace::add(MOBILITY, mobility[WHITE], mobility[BLACK]);
834       Trace::add(SPACE, evaluate_space<WHITE>(pos, ei)
835                       , evaluate_space<BLACK>(pos, ei));
836       Trace::add(TOTAL, score);
837   }
838
839   return (pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v) + Eval::Tempo; // Side to move point of view
840 }
841
842 // Explicit template instantiations
843 template Value Eval::evaluate<true >(const Position&);
844 template Value Eval::evaluate<false>(const Position&);
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   std::memset(scores, 0, sizeof(scores));
854
855   Value v = evaluate<true>(pos);
856   v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
857
858   std::stringstream ss;
859   ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
860      << "      Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
861      << "                |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
862      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
863      << "       Material | " << Term(MATERIAL)
864      << "      Imbalance | " << Term(IMBALANCE)
865      << "          Pawns | " << Term(PAWN)
866      << "        Knights | " << Term(KNIGHT)
867      << "         Bishop | " << Term(BISHOP)
868      << "          Rooks | " << Term(ROOK)
869      << "         Queens | " << Term(QUEEN)
870      << "       Mobility | " << Term(MOBILITY)
871      << "    King safety | " << Term(KING)
872      << "        Threats | " << Term(THREAT)
873      << "   Passed pawns | " << Term(PASSED)
874      << "          Space | " << Term(SPACE)
875      << "----------------+-------------+-------------+-------------\n"
876      << "          Total | " << Term(TOTAL);
877
878   ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
879
880   return ss.str();
881 }
882
883
884 /// init() computes evaluation weights, usually at startup
885
886 void Eval::init() {
887
888   const int MaxSlope = 322;
889   const int Peak = 47410;
890   int t = 0;
891
892   for (int i = 0; i < 400; ++i)
893   {
894       t = std::min(Peak, std::min(i * i - 16, t + MaxSlope));
895       KingDanger[i] = make_score(t * 268 / 7700, 0);
896   }
897 }