Symmetric King Safety: take 2
[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) 2008-2014 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5
6   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
7   it under the terms of the GNU General Public License as published by
8   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
9   (at your option) any later version.
10
11   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
12   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
14   GNU General Public License for more details.
15
16   You should have received a copy of the GNU General Public License
17   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
18 */
19
20 #include <algorithm>
21 #include <cassert>
22 #include <iomanip>
23 #include <sstream>
24
25 #include "bitcount.h"
26 #include "evaluate.h"
27 #include "material.h"
28 #include "pawns.h"
29 #include "thread.h"
30 #include "ucioption.h"
31
32 namespace {
33
34   // Struct EvalInfo contains various information computed and collected
35   // by the evaluation functions.
36   struct EvalInfo {
37
38     // Pointers to material and pawn hash table entries
39     Material::Entry* mi;
40     Pawns::Entry* pi;
41
42     // attackedBy[color][piece type] is a bitboard representing all squares
43     // attacked by a given color and piece type, attackedBy[color][ALL_PIECES]
44     // contains all squares attacked by the given color.
45     Bitboard attackedBy[COLOR_NB][PIECE_TYPE_NB];
46
47     // kingRing[color] is the zone around the king which is considered
48     // by the king safety evaluation. This consists of the squares directly
49     // adjacent to the king, and the three (or two, for a king on an edge file)
50     // squares two ranks in front of the king. For instance, if black's king
51     // is on g8, kingRing[BLACK] is a bitboard containing the squares f8, h8,
52     // f7, g7, h7, f6, g6 and h6.
53     Bitboard kingRing[COLOR_NB];
54
55     // kingAttackersCount[color] is the number of pieces of the given color
56     // which attack a square in the kingRing of the enemy king.
57     int kingAttackersCount[COLOR_NB];
58
59     // kingAttackersWeight[color] is the sum of the "weight" of the pieces of the
60     // given color which attack a square in the kingRing of the enemy king. The
61     // weights of the individual piece types are given by the variables
62     // QueenAttackWeight, RookAttackWeight, BishopAttackWeight and
63     // KnightAttackWeight in evaluate.cpp
64     int kingAttackersWeight[COLOR_NB];
65
66     // kingAdjacentZoneAttacksCount[color] is the number of attacks to squares
67     // directly adjacent to the king of the given color. Pieces which attack
68     // more than one square are counted multiple times. For instance, if black's
69     // king is on g8 and there's a white knight on g5, this knight adds
70     // 2 to kingAdjacentZoneAttacksCount[BLACK].
71     int kingAdjacentZoneAttacksCount[COLOR_NB];
72
73     Bitboard pinnedPieces[COLOR_NB];
74   };
75
76   namespace Tracing {
77
78     enum Terms { // First 8 entries are for PieceType
79       PST = 8, IMBALANCE, MOBILITY, THREAT, PASSED, SPACE, TOTAL, TERMS_NB
80     };
81
82     Score terms[COLOR_NB][TERMS_NB];
83     EvalInfo ei;
84     ScaleFactor sf;
85
86     double to_cp(Value v);
87     void add_term(int idx, Score term_w, Score term_b = SCORE_ZERO);
88     void format_row(std::stringstream& ss, const char* name, int idx);
89     std::string do_trace(const Position& pos);
90   }
91
92   // Evaluation weights, indexed by evaluation term
93   enum { Mobility, PawnStructure, PassedPawns, Space, KingSafety };
94   const struct Weight { int mg, eg; } Weights[] = {
95     {289, 344}, {233, 201}, {221, 273}, {46, 0}, {318, 0}
96   };
97
98   typedef Value V;
99   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
100
101   // MobilityBonus[PieceType][attacked] contains bonuses for middle and end
102   // game, indexed by piece type and number of attacked squares not occupied by
103   // friendly pieces.
104   const Score MobilityBonus[][32] = {
105     {}, {},
106     { S(-65,-50), S(-42,-30), S(-9,-10), S( 3,  0), S(15, 10), S(27, 20), // Knights
107       S( 37, 28), S( 42, 31), S(44, 33) },
108     { S(-52,-47), S(-28,-23), S( 6,  1), S(20, 15), S(34, 29), S(48, 43), // Bishops
109       S( 60, 55), S( 68, 63), S(74, 68), S(77, 72), S(80, 75), S(82, 77),
110       S( 84, 79), S( 86, 81) },
111     { S(-47,-53), S(-31,-26), S(-5,  0), S( 1, 16), S( 7, 32), S(13, 48), // Rooks
112       S( 18, 64), S( 22, 80), S(26, 96), S(29,109), S(31,115), S(33,119),
113       S( 35,122), S( 36,123), S(37,124) },
114     { S(-42,-40), S(-28,-23), S(-5, -7), S( 0,  0), S( 6, 10), S(11, 19), // Queens
115       S( 13, 29), S( 18, 38), S(20, 40), S(21, 41), S(22, 41), S(22, 41),
116       S( 22, 41), S( 23, 41), S(24, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41),
117       S( 25, 41), S( 25, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41), S(25, 41),
118       S( 25, 41), S( 25, 41), S(25, 41), S(25, 41) }
119   };
120
121   // Outpost[PieceType][Square] contains bonuses for knights and bishops outposts,
122   // indexed by piece type and square (from white's point of view).
123   const Value Outpost[][SQUARE_NB] = {
124   {// A     B     C     D     E     F     G     H
125     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), // Knights
126     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0),
127     V(0), V(0), V(4), V(8), V(8), V(4), V(0), V(0),
128     V(0), V(4),V(17),V(26),V(26),V(17), V(4), V(0),
129     V(0), V(8),V(26),V(35),V(35),V(26), V(8), V(0),
130     V(0), V(4),V(17),V(17),V(17),V(17), V(4), V(0) },
131   {
132     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), // Bishops
133     V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0), V(0),
134     V(0), V(0), V(5), V(5), V(5), V(5), V(0), V(0),
135     V(0), V(5),V(10),V(10),V(10),V(10), V(5), V(0),
136     V(0),V(10),V(21),V(21),V(21),V(21),V(10), V(0),
137     V(0), V(5), V(8), V(8), V(8), V(8), V(5), V(0) }
138   };
139
140   // Threat[attacking][attacked] contains bonuses according to which piece
141   // type attacks which one.
142   const Score Threat[][PIECE_TYPE_NB] = {
143     { S(0, 0), S( 7, 39), S(24, 49), S(24, 49), S(41,100), S(41,100) }, // Minor
144     { S(0, 0), S(15, 39), S(15, 45), S(15, 45), S(15, 45), S(24, 49) }  // Major
145   };
146
147   // ThreatenedByPawn[PieceType] contains a penalty according to which piece
148   // type is attacked by an enemy pawn.
149   const Score ThreatenedByPawn[] = {
150     S(0, 0), S(0, 0), S(56, 70), S(56, 70), S(76, 99), S(86, 118)
151   };
152
153   // Hanging contains a bonus for each enemy hanging piece
154   const Score Hanging = S(23, 20);
155
156   #undef S
157
158   const Score RookOnPawn       = make_score(10, 28);
159   const Score RookOpenFile     = make_score(43, 21);
160   const Score RookSemiopenFile = make_score(19, 10);
161   const Score BishopPawns      = make_score( 8, 12);
162   const Score MinorBehindPawn  = make_score(16,  0);
163   const Score TrappedRook      = make_score(90,  0);
164   const Score Unstoppable      = make_score( 0, 20);
165
166   // Penalty for a bishop on a1/h1 (a8/h8 for black) which is trapped by
167   // a friendly pawn on b2/g2 (b7/g7 for black). This can obviously only
168   // happen in Chess960 games.
169   const Score TrappedBishopA1H1 = make_score(50, 50);
170
171   // SpaceMask[Color] contains the area of the board which is considered
172   // by the space evaluation. In the middlegame, each side is given a bonus
173   // based on how many squares inside this area are safe and available for
174   // friendly minor pieces.
175   const Bitboard SpaceMask[] = {
176     (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank2BB | Rank3BB | Rank4BB),
177     (FileCBB | FileDBB | FileEBB | FileFBB) & (Rank7BB | Rank6BB | Rank5BB)
178   };
179
180   // King danger constants and variables. The king danger scores are taken
181   // from KingDanger[]. Various little "meta-bonuses" measuring the strength
182   // of the enemy attack are added up into an integer, which is used as an
183   // index to KingDanger[].
184   //
185   // KingAttackWeights[PieceType] contains king attack weights by piece type
186   const int KingAttackWeights[] = { 0, 0, 2, 2, 3, 5 };
187
188   // Bonuses for enemy's safe checks
189   const int QueenContactCheck = 24;
190   const int RookContactCheck  = 16;
191   const int QueenCheck        = 12;
192   const int RookCheck         = 8;
193   const int BishopCheck       = 2;
194   const int KnightCheck       = 3;
195
196   // KingDanger[attackUnits] contains the actual king danger weighted
197   // scores, indexed by a calculated integer number.
198   Score KingDanger[128];
199
200
201   // apply_weight() weighs score 'v' by weight 'w' trying to prevent overflow
202   Score apply_weight(Score v, const Weight& w) {
203     return make_score(mg_value(v) * w.mg / 256, eg_value(v) * w.eg / 256);
204   }
205
206
207   // init_eval_info() initializes king bitboards for given color adding
208   // pawn attacks. To be done at the beginning of the evaluation.
209
210   template<Color Us>
211   void init_eval_info(const Position& pos, EvalInfo& ei) {
212
213     const Color  Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
214     const Square Down = (Us == WHITE ? DELTA_S : DELTA_N);
215
216     ei.pinnedPieces[Us] = pos.pinned_pieces(Us);
217
218     Bitboard b = ei.attackedBy[Them][KING] = pos.attacks_from<KING>(pos.king_square(Them));
219     ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] = ei.attackedBy[Us][PAWN] = ei.pi->pawn_attacks(Us);
220
221     // Init king safety tables only if we are going to use them
222     if (pos.count<QUEEN>(Us) && pos.non_pawn_material(Us) > QueenValueMg + PawnValueMg)
223     {
224         ei.kingRing[Them] = b | shift_bb<Down>(b);
225         b &= ei.attackedBy[Us][PAWN];
226         ei.kingAttackersCount[Us] = b ? popcount<Max15>(b) : 0;
227         ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] = ei.kingAttackersWeight[Us] = 0;
228     }
229     else
230         ei.kingRing[Them] = ei.kingAttackersCount[Us] = 0;
231   }
232
233
234   // evaluate_outposts() evaluates bishop and knight outpost squares
235
236   template<PieceType Pt, Color Us>
237   Score evaluate_outposts(const Position& pos, EvalInfo& ei, Square s) {
238
239     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
240
241     assert (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT);
242
243     // Initial bonus based on square
244     Value bonus = Outpost[Pt == BISHOP][relative_square(Us, s)];
245
246     // Increase bonus if supported by pawn, especially if the opponent has
247     // no minor piece which can trade with the outpost piece.
248     if (bonus && (ei.attackedBy[Us][PAWN] & s))
249     {
250         if (   !pos.pieces(Them, KNIGHT)
251             && !(squares_of_color(s) & pos.pieces(Them, BISHOP)))
252             bonus += bonus + bonus / 2;
253         else
254             bonus += bonus / 2;
255     }
256
257     return make_score(bonus, bonus);
258   }
259
260
261   // evaluate_pieces() assigns bonuses and penalties to the pieces of a given color
262
263   template<PieceType Pt, Color Us, bool Trace>
264   Score evaluate_pieces(const Position& pos, EvalInfo& ei, Score* mobility, Bitboard* mobilityArea) {
265
266     Bitboard b;
267     Square s;
268     Score score = SCORE_ZERO;
269
270     const PieceType NextPt = (Us == WHITE ? Pt : PieceType(Pt + 1));
271     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
272     const Square* pl = pos.list<Pt>(Us);
273
274     ei.attackedBy[Us][Pt] = 0;
275
276     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
277     {
278         // Find attacked squares, including x-ray attacks for bishops and rooks
279         b = Pt == BISHOP ? attacks_bb<BISHOP>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, QUEEN))
280           : Pt ==   ROOK ? attacks_bb<  ROOK>(s, pos.pieces() ^ pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
281                          : pos.attacks_from<Pt>(s);
282
283         if (ei.pinnedPieces[Us] & s)
284             b &= LineBB[pos.king_square(Us)][s];
285
286         ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[Us][Pt] |= b;
287
288         if (b & ei.kingRing[Them])
289         {
290             ei.kingAttackersCount[Us]++;
291             ei.kingAttackersWeight[Us] += KingAttackWeights[Pt];
292             Bitboard bb = b & ei.attackedBy[Them][KING];
293             if (bb)
294                 ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Us] += popcount<Max15>(bb);
295         }
296
297         if (Pt == QUEEN)
298             b &= ~(  ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
299                    | ei.attackedBy[Them][BISHOP]
300                    | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
301
302         int mob = Pt != QUEEN ? popcount<Max15>(b & mobilityArea[Us])
303                               : popcount<Full >(b & mobilityArea[Us]);
304
305         mobility[Us] += MobilityBonus[Pt][mob];
306
307         // Decrease score if we are attacked by an enemy pawn. The remaining part
308         // of threat evaluation must be done later when we have full attack info.
309         if (ei.attackedBy[Them][PAWN] & s)
310             score -= ThreatenedByPawn[Pt];
311
312         if (Pt == BISHOP || Pt == KNIGHT)
313         {
314             // Penalty for bishop with same colored pawns
315             if (Pt == BISHOP)
316                 score -= BishopPawns * ei.pi->pawns_on_same_color_squares(Us, s);
317
318             // Bishop and knight outposts squares
319             if (!(pos.pieces(Them, PAWN) & pawn_attack_span(Us, s)))
320                 score += evaluate_outposts<Pt, Us>(pos, ei, s);
321
322             // Bishop or knight behind a pawn
323             if (    relative_rank(Us, s) < RANK_5
324                 && (pos.pieces(PAWN) & (s + pawn_push(Us))))
325                 score += MinorBehindPawn;
326         }
327
328         if (Pt == ROOK)
329         {
330             // Rook piece attacking enemy pawns on the same rank/file
331             if (relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
332             {
333                 Bitboard pawns = pos.pieces(Them, PAWN) & PseudoAttacks[ROOK][s];
334                 if (pawns)
335                     score += popcount<Max15>(pawns) * RookOnPawn;
336             }
337
338             // Give a bonus for a rook on a open or semi-open file
339             if (ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
340                 score += ei.pi->semiopen_file(Them, file_of(s)) ? RookOpenFile : RookSemiopenFile;
341
342             if (mob > 3 || ei.pi->semiopen_file(Us, file_of(s)))
343                 continue;
344
345             Square ksq = pos.king_square(Us);
346
347             // Penalize rooks which are trapped by a king. Penalize more if the
348             // king has lost its castling capability.
349             if (   ((file_of(ksq) < FILE_E) == (file_of(s) < file_of(ksq)))
350                 && (rank_of(ksq) == rank_of(s) || relative_rank(Us, ksq) == RANK_1)
351                 && !ei.pi->semiopen_side(Us, file_of(ksq), file_of(s) < file_of(ksq)))
352                 score -= (TrappedRook - make_score(mob * 8, 0)) * (1 + !pos.can_castle(Us));
353         }
354
355         // An important Chess960 pattern: A cornered bishop blocked by a friendly
356         // pawn diagonally in front of it is a very serious problem, especially
357         // when that pawn is also blocked.
358         if (   Pt == BISHOP
359             && pos.is_chess960()
360             && (s == relative_square(Us, SQ_A1) || s == relative_square(Us, SQ_H1)))
361         {
362             Square d = pawn_push(Us) + (file_of(s) == FILE_A ? DELTA_E : DELTA_W);
363             if (pos.piece_on(s + d) == make_piece(Us, PAWN))
364                 score -= !pos.empty(s + d + pawn_push(Us))                ? TrappedBishopA1H1 * 4
365                         : pos.piece_on(s + d + d) == make_piece(Us, PAWN) ? TrappedBishopA1H1 * 2
366                                                                           : TrappedBishopA1H1;
367         }
368     }
369
370     if (Trace)
371         Tracing::terms[Us][Pt] = score;
372
373     return score - evaluate_pieces<NextPt, Them, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
374   }
375
376   template<>
377   Score evaluate_pieces<KING, WHITE, false>(const Position&, EvalInfo&, Score*, Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
378   template<>
379   Score evaluate_pieces<KING, WHITE,  true>(const Position&, EvalInfo&, Score*, Bitboard*) { return SCORE_ZERO; }
380
381
382   // evaluate_king() assigns bonuses and penalties to a king of a given color
383
384   template<Color Us, bool Trace>
385   Score evaluate_king(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
386
387     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
388
389     Bitboard undefended, b, b1, b2, safe;
390     int attackUnits;
391     const Square ksq = pos.king_square(Us);
392
393     // King shelter and enemy pawns storm
394     Score score = ei.pi->king_safety<Us>(pos, ksq);
395
396     // Main king safety evaluation
397     if (ei.kingAttackersCount[Them])
398     {
399         // Find the attacked squares around the king which have no defenders
400         // apart from the king itself
401         undefended =  ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]
402                     & ei.attackedBy[Us][KING]
403                     & ~(  ei.attackedBy[Us][PAWN]   | ei.attackedBy[Us][KNIGHT]
404                         | ei.attackedBy[Us][BISHOP] | ei.attackedBy[Us][ROOK]
405                         | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
406
407         // Initialize the 'attackUnits' variable, which is used later on as an
408         // index to the KingDanger[] array. The initial value is based on the
409         // number and types of the enemy's attacking pieces, the number of
410         // attacked and undefended squares around our king and the quality of
411         // the pawn shelter (current 'score' value).
412         attackUnits =  std::min(20, (ei.kingAttackersCount[Them] * ei.kingAttackersWeight[Them]) / 2)
413                      + 3 * (ei.kingAdjacentZoneAttacksCount[Them] + popcount<Max15>(undefended))
414                      + 2 * (ei.pinnedPieces[Us] != 0)
415                      - mg_value(score) / 32;
416
417         // Analyse the enemy's safe queen contact checks. Firstly, find the
418         // undefended squares around the king that are attacked by the enemy's
419         // queen...
420         b = undefended & ei.attackedBy[Them][QUEEN] & ~pos.pieces(Them);
421         if (b)
422         {
423             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
424             b &= (  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
425                   | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][ROOK]);
426
427             if (b)
428                 attackUnits +=  QueenContactCheck * popcount<Max15>(b);
429         }
430
431         // Analyse the enemy's safe rook contact checks. Firstly, find the
432         // undefended squares around the king that are attacked by the enemy's
433         // rooks...
434         b = undefended & ei.attackedBy[Them][ROOK] & ~pos.pieces(Them);
435
436         // Consider only squares where the enemy's rook gives check
437         b &= PseudoAttacks[ROOK][ksq];
438
439         if (b)
440         {
441             // ...and then remove squares not supported by another enemy piece
442             b &= (  ei.attackedBy[Them][PAWN]   | ei.attackedBy[Them][KNIGHT]
443                   | ei.attackedBy[Them][BISHOP] | ei.attackedBy[Them][QUEEN]);
444
445             if (b)
446                 attackUnits +=  RookContactCheck * popcount<Max15>(b);
447         }
448
449         // Analyse the enemy's safe distance checks for sliders and knights
450         safe = ~(pos.pieces(Them) | ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES]);
451
452         b1 = pos.attacks_from<ROOK>(ksq) & safe;
453         b2 = pos.attacks_from<BISHOP>(ksq) & safe;
454
455         // Enemy queen safe checks
456         b = (b1 | b2) & ei.attackedBy[Them][QUEEN];
457         if (b)
458             attackUnits += QueenCheck * popcount<Max15>(b);
459
460         // Enemy rooks safe checks
461         b = b1 & ei.attackedBy[Them][ROOK];
462         if (b)
463             attackUnits += RookCheck * popcount<Max15>(b);
464
465         // Enemy bishops safe checks
466         b = b2 & ei.attackedBy[Them][BISHOP];
467         if (b)
468             attackUnits += BishopCheck * popcount<Max15>(b);
469
470         // Enemy knights safe checks
471         b = pos.attacks_from<KNIGHT>(ksq) & ei.attackedBy[Them][KNIGHT] & safe;
472         if (b)
473             attackUnits += KnightCheck * popcount<Max15>(b);
474
475         // To index KingDanger[] attackUnits must be in [0, 99] range
476         attackUnits = std::min(99, std::max(0, attackUnits));
477
478         // Finally, extract the king danger score from the KingDanger[]
479         // array and subtract the score from evaluation.
480         score -= KingDanger[attackUnits];
481     }
482
483     if (Trace)
484         Tracing::terms[Us][KING] = score;
485
486     return score;
487   }
488
489
490   // evaluate_threats() assigns bonuses according to the type of attacking piece
491   // and the type of attacked one.
492
493   template<Color Us, bool Trace>
494   Score evaluate_threats(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
495
496     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
497
498     Bitboard b, weakEnemies;
499     Score score = SCORE_ZERO;
500
501     // Enemies not defended by a pawn and under our attack
502     weakEnemies =  pos.pieces(Them)
503                  & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
504                  & ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
505
506     // Add a bonus according if the attacking pieces are minor or major
507     if (weakEnemies)
508     {
509         b = weakEnemies & (ei.attackedBy[Us][PAWN] | ei.attackedBy[Us][KNIGHT] | ei.attackedBy[Us][BISHOP]);
510         if (b)
511             score += Threat[0][type_of(pos.piece_on(lsb(b)))];
512
513         b = weakEnemies & (ei.attackedBy[Us][ROOK] | ei.attackedBy[Us][QUEEN]);
514         if (b)
515             score += Threat[1][type_of(pos.piece_on(lsb(b)))];
516
517         b = weakEnemies & ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES];
518         if (b)
519             score += more_than_one(b) ? Hanging * popcount<Max15>(b) : Hanging;
520     }
521
522     if (Trace)
523         Tracing::terms[Us][Tracing::THREAT] = score;
524
525     return score;
526   }
527
528
529   // evaluate_passed_pawns() evaluates the passed pawns of the given color
530
531   template<Color Us, bool Trace>
532   Score evaluate_passed_pawns(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
533
534     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
535
536     Bitboard b, squaresToQueen, defendedSquares, unsafeSquares;
537     Score score = SCORE_ZERO;
538
539     b = ei.pi->passed_pawns(Us);
540
541     while (b)
542     {
543         Square s = pop_lsb(&b);
544
545         assert(pos.pawn_passed(Us, s));
546
547         int r = relative_rank(Us, s) - RANK_2;
548         int rr = r * (r - 1);
549
550         // Base bonus based on rank
551         Value mbonus = Value(17 * rr), ebonus = Value(7 * (rr + r + 1));
552
553         if (rr)
554         {
555             Square blockSq = s + pawn_push(Us);
556
557             // Adjust bonus based on the king's proximity
558             ebonus +=  square_distance(pos.king_square(Them), blockSq) * 5 * rr
559                      - square_distance(pos.king_square(Us  ), blockSq) * 2 * rr;
560
561             // If blockSq is not the queening square then consider also a second push
562             if (relative_rank(Us, blockSq) != RANK_8)
563                 ebonus -= square_distance(pos.king_square(Us), blockSq + pawn_push(Us)) * rr;
564
565             // If the pawn is free to advance, then increase the bonus
566             if (pos.empty(blockSq))
567             {
568                 squaresToQueen = forward_bb(Us, s);
569
570                 // If there is an enemy rook or queen attacking the pawn from behind,
571                 // add all X-ray attacks by the rook or queen. Otherwise consider only
572                 // the squares in the pawn's path attacked or occupied by the enemy.
573                 if (    unlikely(forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Them, ROOK, QUEEN))
574                     && (forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Them, ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s)))
575                     unsafeSquares = squaresToQueen;
576                 else
577                     unsafeSquares = squaresToQueen & (ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES] | pos.pieces(Them));
578
579                 if (    unlikely(forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN))
580                     && (forward_bb(Them, s) & pos.pieces(Us, ROOK, QUEEN) & pos.attacks_from<ROOK>(s)))
581                     defendedSquares = squaresToQueen;
582                 else
583                     defendedSquares = squaresToQueen & ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES];
584
585                 // If there aren't any enemy attacks, assign a big bonus. Otherwise
586                 // assign a smaller bonus if the block square isn't attacked.
587                 int k = !unsafeSquares ? 15 : !(unsafeSquares & blockSq) ? 9 : 0;
588
589                 // If the path to queen is fully defended, assign a big bonus.
590                 // Otherwise assign a smaller bonus if the block square is defended.
591                 if (defendedSquares == squaresToQueen)
592                     k += 6;
593
594                 else if (defendedSquares & blockSq)
595                     k += 4;
596
597                 mbonus += k * rr, ebonus += k * rr;
598             }
599         } // rr != 0
600
601         if (pos.count<PAWN>(Us) < pos.count<PAWN>(Them))
602             ebonus += ebonus / 4;
603
604         score += make_score(mbonus, ebonus);
605     }
606
607     if (Trace)
608         Tracing::terms[Us][Tracing::PASSED] = apply_weight(score, Weights[PassedPawns]);
609
610     // Add the scores to the middlegame and endgame eval
611     return apply_weight(score, Weights[PassedPawns]);
612   }
613
614
615   // evaluate_unstoppable_pawns() scores the most advanced among the passed and
616   // candidate pawns. In case opponent has no pieces but pawns, this is somewhat
617   // related to the possibility that pawns are unstoppable.
618
619   Score evaluate_unstoppable_pawns(const Position& pos, Color us, const EvalInfo& ei) {
620
621     Bitboard b = ei.pi->passed_pawns(us) | ei.pi->candidate_pawns(us);
622
623     if (!b || pos.non_pawn_material(~us))
624         return SCORE_ZERO;
625
626     return Unstoppable * int(relative_rank(us, frontmost_sq(us, b)));
627   }
628
629
630   // evaluate_space() computes the space evaluation for a given side. The
631   // space evaluation is a simple bonus based on the number of safe squares
632   // available for minor pieces on the central four files on ranks 2--4. Safe
633   // squares one, two or three squares behind a friendly pawn are counted
634   // twice. Finally, the space bonus is scaled by a weight taken from the
635   // material hash table. The aim is to improve play on game opening.
636   template<Color Us>
637   int evaluate_space(const Position& pos, const EvalInfo& ei) {
638
639     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
640
641     // Find the safe squares for our pieces inside the area defined by
642     // SpaceMask[]. A square is unsafe if it is attacked by an enemy
643     // pawn, or if it is undefended and attacked by an enemy piece.
644     Bitboard safe =   SpaceMask[Us]
645                    & ~pos.pieces(Us, PAWN)
646                    & ~ei.attackedBy[Them][PAWN]
647                    & (ei.attackedBy[Us][ALL_PIECES] | ~ei.attackedBy[Them][ALL_PIECES]);
648
649     // Find all squares which are at most three squares behind some friendly pawn
650     Bitboard behind = pos.pieces(Us, PAWN);
651     behind |= (Us == WHITE ? behind >>  8 : behind <<  8);
652     behind |= (Us == WHITE ? behind >> 16 : behind << 16);
653
654     // Since SpaceMask[Us] is fully on our half of the board
655     assert(unsigned(safe >> (Us == WHITE ? 32 : 0)) == 0);
656
657     // Count safe + (behind & safe) with a single popcount
658     return popcount<Full>((Us == WHITE ? safe << 32 : safe >> 32) | (behind & safe));
659   }
660
661
662   // do_evaluate() is the evaluation entry point, called directly from evaluate()
663
664   template<bool Trace>
665   Value do_evaluate(const Position& pos) {
666
667     assert(!pos.checkers());
668
669     EvalInfo ei;
670     Score score, mobility[2] = { SCORE_ZERO, SCORE_ZERO };
671     Thread* thisThread = pos.this_thread();
672
673     // Initialize score by reading the incrementally updated scores included
674     // in the position object (material + piece square tables).
675     // Score is computed from the point of view of white.
676     score = pos.psq_score();
677
678     // Probe the material hash table
679     ei.mi = Material::probe(pos, thisThread->materialTable, thisThread->endgames);
680     score += ei.mi->material_value();
681
682     // If we have a specialized evaluation function for the current material
683     // configuration, call it and return.
684     if (ei.mi->specialized_eval_exists())
685         return ei.mi->evaluate(pos);
686
687     // Probe the pawn hash table
688     ei.pi = Pawns::probe(pos, thisThread->pawnsTable);
689     score += apply_weight(ei.pi->pawns_value(), Weights[PawnStructure]);
690
691     // Initialize attack and king safety bitboards
692     init_eval_info<WHITE>(pos, ei);
693     init_eval_info<BLACK>(pos, ei);
694
695     ei.attackedBy[WHITE][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[WHITE][KING];
696     ei.attackedBy[BLACK][ALL_PIECES] |= ei.attackedBy[BLACK][KING];
697
698     // Do not include in mobility squares protected by enemy pawns or occupied by our pawns or king
699     Bitboard mobilityArea[] = { ~(ei.attackedBy[BLACK][PAWN] | pos.pieces(WHITE, PAWN, KING)),
700                                 ~(ei.attackedBy[WHITE][PAWN] | pos.pieces(BLACK, PAWN, KING)) };
701
702     // Evaluate pieces and mobility
703     score += evaluate_pieces<KNIGHT, WHITE, Trace>(pos, ei, mobility, mobilityArea);
704     score += apply_weight(mobility[WHITE] - mobility[BLACK], Weights[Mobility]);
705
706     // Evaluate kings after all other pieces because we need complete attack
707     // information when computing the king safety evaluation.
708     score +=  evaluate_king<WHITE, Trace>(pos, ei)
709             - evaluate_king<BLACK, Trace>(pos, ei);
710
711     // Evaluate tactical threats, we need full attack information including king
712     score +=  evaluate_threats<WHITE, Trace>(pos, ei)
713             - evaluate_threats<BLACK, Trace>(pos, ei);
714
715     // Evaluate passed pawns, we need full attack information including king
716     score +=  evaluate_passed_pawns<WHITE, Trace>(pos, ei)
717             - evaluate_passed_pawns<BLACK, Trace>(pos, ei);
718
719     // If one side has only a king, score for potential unstoppable pawns
720     if (!pos.non_pawn_material(WHITE) || !pos.non_pawn_material(BLACK))
721         score +=  evaluate_unstoppable_pawns(pos, WHITE, ei)
722                 - evaluate_unstoppable_pawns(pos, BLACK, ei);
723
724     // Evaluate space for both sides, only in middlegame
725     if (ei.mi->space_weight())
726     {
727         int s = evaluate_space<WHITE>(pos, ei) - evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
728         score += apply_weight(s * ei.mi->space_weight(), Weights[Space]);
729     }
730
731     // Scale winning side if position is more drawish than it appears
732     ScaleFactor sf = eg_value(score) > VALUE_DRAW ? ei.mi->scale_factor(pos, WHITE)
733                                                   : ei.mi->scale_factor(pos, BLACK);
734
735     // If we don't already have an unusual scale factor, check for opposite
736     // colored bishop endgames, and use a lower scale for those.
737     if (    ei.mi->game_phase() < PHASE_MIDGAME
738         &&  pos.opposite_bishops()
739         && (sf == SCALE_FACTOR_NORMAL || sf == SCALE_FACTOR_ONEPAWN))
740     {
741         // Ignoring any pawns, do both sides only have a single bishop and no
742         // other pieces?
743         if (   pos.non_pawn_material(WHITE) == BishopValueMg
744             && pos.non_pawn_material(BLACK) == BishopValueMg)
745         {
746             // Check for KBP vs KB with only a single pawn that is almost
747             // certainly a draw or at least two pawns.
748             bool one_pawn = (pos.count<PAWN>(WHITE) + pos.count<PAWN>(BLACK) == 1);
749             sf = one_pawn ? ScaleFactor(8) : ScaleFactor(32);
750         }
751         else
752             // Endgame with opposite-colored bishops, but also other pieces. Still
753             // a bit drawish, but not as drawish as with only the two bishops.
754              sf = ScaleFactor(50 * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL);
755     }
756
757     // Interpolate between a middlegame and a (scaled by 'sf') endgame score
758     Value v =  mg_value(score) * int(ei.mi->game_phase())
759              + eg_value(score) * int(PHASE_MIDGAME - ei.mi->game_phase()) * sf / SCALE_FACTOR_NORMAL;
760
761     v /= int(PHASE_MIDGAME);
762
763     // In case of tracing add all single evaluation contributions for both white and black
764     if (Trace)
765     {
766         Tracing::add_term(Tracing::PST, pos.psq_score());
767         Tracing::add_term(Tracing::IMBALANCE, ei.mi->material_value());
768         Tracing::add_term(PAWN, ei.pi->pawns_value());
769         Tracing::add_term(Tracing::MOBILITY, apply_weight(mobility[WHITE], Weights[Mobility])
770                                            , apply_weight(mobility[BLACK], Weights[Mobility]));
771         Score w = ei.mi->space_weight() * evaluate_space<WHITE>(pos, ei);
772         Score b = ei.mi->space_weight() * evaluate_space<BLACK>(pos, ei);
773         Tracing::add_term(Tracing::SPACE, apply_weight(w, Weights[Space]), apply_weight(b, Weights[Space]));
774         Tracing::add_term(Tracing::TOTAL, score);
775         Tracing::ei = ei;
776         Tracing::sf = sf;
777     }
778
779     return pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v;
780   }
781
782
783   // Tracing function definitions
784
785   double Tracing::to_cp(Value v) { return double(v) / PawnValueEg; }
786
787   void Tracing::add_term(int idx, Score wScore, Score bScore) {
788
789     terms[WHITE][idx] = wScore;
790     terms[BLACK][idx] = bScore;
791   }
792
793   void Tracing::format_row(std::stringstream& ss, const char* name, int idx) {
794
795     Score wScore = terms[WHITE][idx];
796     Score bScore = terms[BLACK][idx];
797
798     switch (idx) {
799     case PST: case IMBALANCE: case PAWN: case TOTAL:
800         ss << std::setw(20) << name << " |   ---   --- |   ---   --- | "
801            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(wScore - bScore)) << " "
802            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(wScore - bScore)) << " \n";
803         break;
804     default:
805         ss << std::setw(20) << name << " | " << std::noshowpos
806            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(wScore)) << " "
807            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(wScore)) << " | "
808            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(bScore)) << " "
809            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(bScore)) << " | "
810            << std::setw(5)  << to_cp(mg_value(wScore - bScore)) << " "
811            << std::setw(5)  << to_cp(eg_value(wScore - bScore)) << " \n";
812     }
813   }
814
815   std::string Tracing::do_trace(const Position& pos) {
816
817     std::memset(terms, 0, sizeof(terms));
818
819     Value v = do_evaluate<true>(pos);
820     v = pos.side_to_move() == WHITE ? v : -v; // White's point of view
821
822     std::stringstream ss;
823     ss << std::showpoint << std::noshowpos << std::fixed << std::setprecision(2)
824        << "           Eval term |    White    |    Black    |    Total    \n"
825        << "                     |   MG    EG  |   MG    EG  |   MG    EG  \n"
826        << "---------------------+-------------+-------------+-------------\n";
827
828     format_row(ss, "Material, PST", PST);
829     format_row(ss, "Material imbalance", IMBALANCE);
830     format_row(ss, "Pawns", PAWN);
831     format_row(ss, "Knights", KNIGHT);
832     format_row(ss, "Bishops", BISHOP);
833     format_row(ss, "Rooks", ROOK);
834     format_row(ss, "Queens", QUEEN);
835     format_row(ss, "Mobility", MOBILITY);
836     format_row(ss, "King safety", KING);
837     format_row(ss, "Threats", THREAT);
838     format_row(ss, "Passed pawns", PASSED);
839     format_row(ss, "Space", SPACE);
840
841     ss << "---------------------+-------------+-------------+-------------\n";
842     format_row(ss, "Total", TOTAL);
843
844     ss << "\nTotal Evaluation: " << to_cp(v) << " (white side)\n";
845
846     return ss.str();
847   }
848
849 } // namespace
850
851
852 namespace Eval {
853
854   /// evaluate() is the main evaluation function. It returns a static evaluation
855   /// of the position always from the point of view of the side to move.
856
857   Value evaluate(const Position& pos) {
858     return do_evaluate<false>(pos);
859   }
860
861
862   /// trace() is like evaluate(), but instead of returning a value, it returns
863   /// a string (suitable for outputting to stdout) that contains the detailed
864   /// descriptions and values of each evaluation term. It's mainly used for
865   /// debugging.
866   std::string trace(const Position& pos) {
867     return Tracing::do_trace(pos);
868   }
869
870
871   /// init() computes evaluation weights from the corresponding UCI parameters
872   /// and setup king tables.
873
874   void init() {
875
876     const double MaxSlope = 30;
877     const double Peak = 1280;
878
879     for (int t = 0, i = 1; i < 100; ++i)
880     {
881         t = int(std::min(Peak, std::min(0.4 * i * i, t + MaxSlope)));
882         KingDanger[i] = apply_weight(make_score(t, 0), Weights[KingSafety]);
883     }
884   }
885
886 } // namespace Eval