git.sesse.net Git - stockfish/blob - src/material.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) 2008-2010 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
  21 ////
  22 //// Includes
  23 ////
  24
  25 #include <cassert>
  26 #include <cstring>
  27 #include <sstream>
  28 #include <map>
  29
  30 #include "material.h"
  31
  32 using namespace std;
  33
  34
  35 ////
  36 //// Local definitions
  37 ////
  38
  39 namespace {
  40
  41   // Values modified by Joona Kiiski
  42   const Value MidgameLimit = Value(15581);
  43   const Value EndgameLimit = Value(3998);
  44
  45   // Polynomial material balance parameters
  46   const Value RedundantQueenPenalty = Value(320);
  47   const Value RedundantRookPenalty  = Value(554);
  48
  49   const int LinearCoefficients[6] = { 1617, -162, -1172, -190, 105, 26 };
  50
  51   const int QuadraticCoefficientsSameColor[][6] = {
  52   { 7, 7, 7, 7, 7, 7 }, { 39, 2, 7, 7, 7, 7 }, { 35, 271, -4, 7, 7, 7 },
  53   { 7, 25, 4, 7, 7, 7 }, { -27, -2, 46, 100, 56, 7 }, { 58, 29, 83, 148, -3, -25 } };
  54
  55   const int QuadraticCoefficientsOppositeColor[][6] = {
  56   { 41, 41, 41, 41, 41, 41 }, { 37, 41, 41, 41, 41, 41 }, { 10, 62, 41, 41, 41, 41 },
  57   { 57, 64, 39, 41, 41, 41 }, { 50, 40, 23, -22, 41, 41 }, { 106, 101, 3, 151, 171, 41 } };
  58
  59   typedef EndgameEvaluationFunctionBase EF;
  60   typedef EndgameScalingFunctionBase SF;
  61   typedef map<Key, EF*> EFMap;
  62   typedef map<Key, SF*> SFMap;
  63
  64   // Endgame evaluation and scaling functions accessed direcly and not through
  65   // the function maps because correspond to more then one material hash key.
  66   EvaluationFunction<KmmKm> EvaluateKmmKm[] = { EvaluationFunction<KmmKm>(WHITE), EvaluationFunction<KmmKm>(BLACK) };
  67   EvaluationFunction<KXK>   EvaluateKXK[]   = { EvaluationFunction<KXK>(WHITE),   EvaluationFunction<KXK>(BLACK) };
  68   ScalingFunction<KBPsK>    ScaleKBPsK[]    = { ScalingFunction<KBPsK>(WHITE),    ScalingFunction<KBPsK>(BLACK) };
  69   ScalingFunction<KQKRPs>   ScaleKQKRPs[]   = { ScalingFunction<KQKRPs>(WHITE),   ScalingFunction<KQKRPs>(BLACK) };
  70   ScalingFunction<KPsK>     ScaleKPsK[]     = { ScalingFunction<KPsK>(WHITE),     ScalingFunction<KPsK>(BLACK) };
  71   ScalingFunction<KPKP>     ScaleKPKP[]     = { ScalingFunction<KPKP>(WHITE),     ScalingFunction<KPKP>(BLACK) };
  72
  73   // Helper templates used to detect a given material distribution
  74   template<Color Us> bool is_KXK(const Position& pos) {
  75     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
  76     return   pos.non_pawn_material(Them) == VALUE_ZERO
  77           && pos.piece_count(Them, PAWN) == 0
  78           && pos.non_pawn_material(Us)   >= RookValueMidgame;
  79   }
  80
  81   template<Color Us> bool is_KBPsK(const Position& pos) {
  82     return   pos.non_pawn_material(Us)   == BishopValueMidgame
  83           && pos.piece_count(Us, BISHOP) == 1
  84           && pos.piece_count(Us, PAWN)   >= 1;
  85   }
  86
  87   template<Color Us> bool is_KQKRPs(const Position& pos) {
  88     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
  89     return   pos.piece_count(Us, PAWN)    == 0
  90           && pos.non_pawn_material(Us)    == QueenValueMidgame
  91           && pos.piece_count(Us, QUEEN)   == 1
  92           && pos.piece_count(Them, ROOK)  == 1
  93           && pos.piece_count(Them, PAWN)  >= 1;
  94   }
  95 }
  96
  97
  98 ////
  99 //// Classes
 100 ////
 101
 102 /// EndgameFunctions class stores endgame evaluation and scaling functions
 103 /// in two std::map. Because STL library is not guaranteed to be thread
 104 /// safe even for read access, the maps, although with identical content,
 105 /// are replicated for each thread. This is faster then using locks.
 106
 107 class EndgameFunctions {
 108 public:
 109   EndgameFunctions();
 110   ~EndgameFunctions();
 111   template<class T> T* get(Key key) const;
 112
 113 private:
 114   template<class T> void add(const string& keyCode);
 115
 116   static Key buildKey(const string& keyCode);
 117   static const string swapColors(const string& keyCode);
 118
 119   // Here we store two maps, for evaluate and scaling functions...
 120   pair<EFMap, SFMap> maps;
 121
 122   // ...and here is the accessing template function
 123   template<typename T> const map<Key, T*>& get() const;
 124 };
 125
 126 // Explicit specializations of a member function shall be declared in
 127 // the namespace of which the class template is a member.
 128 template<> const EFMap& EndgameFunctions::get<EF>() const { return maps.first; }
 129 template<> const SFMap& EndgameFunctions::get<SF>() const { return maps.second; }
 130
 131
 132 ////
 133 //// Functions
 134 ////
 135
 136 /// MaterialInfoTable c'tor and d'tor, called once by each thread
 137
 138 MaterialInfoTable::MaterialInfoTable() {
 139
 140   entries = new MaterialInfo[MaterialTableSize];
 141   funcs = new EndgameFunctions();
 142
 143   if (!entries || !funcs)
 144   {
 145       cerr << "Failed to allocate " << MaterialTableSize * sizeof(MaterialInfo)
 146            << " bytes for material hash table." << endl;
 147       Application::exit_with_failure();
 148   }
 149   memset(entries, 0, MaterialTableSize * sizeof(MaterialInfo));
 150 }
 151
 152 MaterialInfoTable::~MaterialInfoTable() {
 153
 154   delete funcs;
 155   delete [] entries;
 156 }
 157
 158
 159 /// MaterialInfoTable::game_phase() calculates the phase given the current
 160 /// position. Because the phase is strictly a function of the material, it
 161 /// is stored in MaterialInfo.
 162
 163 Phase MaterialInfoTable::game_phase(const Position& pos) {
 164
 165   Value npm = pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK);
 166
 167   if (npm >= MidgameLimit)
 168       return PHASE_MIDGAME;
 169
 170   if (npm <= EndgameLimit)
 171       return PHASE_ENDGAME;
 172
 173   return Phase(((npm - EndgameLimit) * 128) / (MidgameLimit - EndgameLimit));
 174 }
 175
 176 /// MaterialInfoTable::get_material_info() takes a position object as input,
 177 /// computes or looks up a MaterialInfo object, and returns a pointer to it.
 178 /// If the material configuration is not already present in the table, it
 179 /// is stored there, so we don't have to recompute everything when the
 180 /// same material configuration occurs again.
 181
 182 MaterialInfo* MaterialInfoTable::get_material_info(const Position& pos) {
 183
 184   Key key = pos.get_material_key();
 185   unsigned index = unsigned(key & (MaterialTableSize - 1));
 186   MaterialInfo* mi = entries + index;
 187
 188   // If mi->key matches the position's material hash key, it means that we
 189   // have analysed this material configuration before, and we can simply
 190   // return the information we found the last time instead of recomputing it.
 191   if (mi->key == key)
 192       return mi;
 193
 194   // Clear the MaterialInfo object, and set its key
 195   memset(mi, 0, sizeof(MaterialInfo));
 196   mi->factor[WHITE] = mi->factor[BLACK] = uint8_t(SCALE_FACTOR_NORMAL);
 197   mi->key = key;
 198
 199   // Store game phase
 200   mi->gamePhase = MaterialInfoTable::game_phase(pos);
 201
 202   // Let's look if we have a specialized evaluation function for this
 203   // particular material configuration. First we look for a fixed
 204   // configuration one, then a generic one if previous search failed.
 205   if ((mi->evaluationFunction = funcs->get<EF>(key)) != NULL)
 206       return mi;
 207
 208   if (is_KXK<WHITE>(pos) || is_KXK<BLACK>(pos))
 209   {
 210       mi->evaluationFunction = is_KXK<WHITE>(pos) ? &EvaluateKXK[WHITE] : &EvaluateKXK[BLACK];
 211       return mi;
 212   }
 213
 214   if (   pos.pieces(PAWN)  == EmptyBoardBB
 215       && pos.pieces(ROOK)  == EmptyBoardBB
 216       && pos.pieces(QUEEN) == EmptyBoardBB)
 217   {
 218       // Minor piece endgame with at least one minor piece per side and
 219       // no pawns. Note that the case KmmK is already handled by KXK.
 220       assert((pos.pieces(KNIGHT, WHITE) | pos.pieces(BISHOP, WHITE)));
 221       assert((pos.pieces(KNIGHT, BLACK) | pos.pieces(BISHOP, BLACK)));
 222
 223       if (   pos.piece_count(WHITE, BISHOP) + pos.piece_count(WHITE, KNIGHT) <= 2
 224           && pos.piece_count(BLACK, BISHOP) + pos.piece_count(BLACK, KNIGHT) <= 2)
 225       {
 226           mi->evaluationFunction = &EvaluateKmmKm[WHITE];
 227           return mi;
 228       }
 229   }
 230
 231   // OK, we didn't find any special evaluation function for the current
 232   // material configuration. Is there a suitable scaling function?
 233   //
 234   // We face problems when there are several conflicting applicable
 235   // scaling functions and we need to decide which one to use.
 236   SF* sf;
 237
 238   if ((sf = funcs->get<SF>(key)) != NULL)
 239   {
 240       mi->scalingFunction[sf->color()] = sf;
 241       return mi;
 242   }
 243
 244   // Generic scaling functions that refer to more then one material
 245   // distribution. Should be probed after the specialized ones.
 246   // Note that these ones don't return after setting the function.
 247   if (is_KBPsK<WHITE>(pos))
 248       mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKBPsK[WHITE];
 249
 250   if (is_KBPsK<BLACK>(pos))
 251       mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKBPsK[BLACK];
 252
 253   if (is_KQKRPs<WHITE>(pos))
 254       mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKQKRPs[WHITE];
 255
 256   else if (is_KQKRPs<BLACK>(pos))
 257       mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKQKRPs[BLACK];
 258
 259   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) == VALUE_ZERO)
 260   {
 261       if (pos.piece_count(BLACK, PAWN) == 0)
 262       {
 263           assert(pos.piece_count(WHITE, PAWN) >= 2);
 264           mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKPsK[WHITE];
 265       }
 266       else if (pos.piece_count(WHITE, PAWN) == 0)
 267       {
 268           assert(pos.piece_count(BLACK, PAWN) >= 2);
 269           mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKPsK[BLACK];
 270       }
 271       else if (pos.piece_count(WHITE, PAWN) == 1 && pos.piece_count(BLACK, PAWN) == 1)
 272       {
 273           // This is a special case because we set scaling functions
 274           // for both colors instead of only one.
 275           mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKPKP[WHITE];
 276           mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKPKP[BLACK];
 277       }
 278   }
 279
 280   // Compute the space weight
 281   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >=
 282       2*QueenValueMidgame + 4*RookValueMidgame + 2*KnightValueMidgame)
 283   {
 284       int minorPieceCount =  pos.piece_count(WHITE, KNIGHT)
 285                            + pos.piece_count(BLACK, KNIGHT)
 286                            + pos.piece_count(WHITE, BISHOP)
 287                            + pos.piece_count(BLACK, BISHOP);
 288
 289       mi->spaceWeight = minorPieceCount * minorPieceCount;
 290   }
 291
 292   // Evaluate the material balance
 293   const int pieceCount[2][6] = { { pos.piece_count(WHITE, BISHOP) > 1, pos.piece_count(WHITE, PAWN), pos.piece_count(WHITE, KNIGHT),
 294                                    pos.piece_count(WHITE, BISHOP), pos.piece_count(WHITE, ROOK), pos.piece_count(WHITE, QUEEN) },
 295                                  { pos.piece_count(BLACK, BISHOP) > 1, pos.piece_count(BLACK, PAWN), pos.piece_count(BLACK, KNIGHT),
 296                                    pos.piece_count(BLACK, BISHOP), pos.piece_count(BLACK, ROOK), pos.piece_count(BLACK, QUEEN) } };
 297   Color c, them;
 298   int sign, pt1, pt2, pc;
 299   int v, vv, matValue = 0;
 300
 301   for (c = WHITE, sign = 1; c <= BLACK; c++, sign = -sign)
 302   {
 303     // No pawns makes it difficult to win, even with a material advantage
 304     if (   pos.piece_count(c, PAWN) == 0
 305         && pos.non_pawn_material(c) - pos.non_pawn_material(opposite_color(c)) <= BishopValueMidgame)
 306     {
 307         if (   pos.non_pawn_material(c) == pos.non_pawn_material(opposite_color(c))
 308             || pos.non_pawn_material(c) < RookValueMidgame)
 309             mi->factor[c] = 0;
 310         else
 311         {
 312             switch (pos.piece_count(c, BISHOP)) {
 313             case 2:
 314                 mi->factor[c] = 32;
 315                 break;
 316             case 1:
 317                 mi->factor[c] = 12;
 318                 break;
 319             case 0:
 320                 mi->factor[c] = 6;
 321                 break;
 322             }
 323         }
 324     }
 325
 326     // Redundancy of major pieces, formula based on Kaufman's paper
 327     // "The Evaluation of Material Imbalances in Chess"
 328     // http://mywebpages.comcast.net/danheisman/Articles/evaluation_of_material_imbalance.htm
 329     if (pieceCount[c][ROOK] >= 1)
 330         matValue -= sign * ((pieceCount[c][ROOK] - 1) * RedundantRookPenalty + pieceCount[c][QUEEN] * RedundantQueenPenalty);
 331
 332     them = opposite_color(c);
 333     v = 0;
 334
 335     // Second-degree polynomial material imbalance by Tord Romstad
 336     //
 337     // We use PIECE_TYPE_NONE as a place holder for the bishop pair "extended piece",
 338     // this allow us to be more flexible in defining bishop pair bonuses.
 339     for (pt1 = PIECE_TYPE_NONE; pt1 <= QUEEN; pt1++)
 340     {
 341         pc = pieceCount[c][pt1];
 342         if (!pc)
 343             continue;
 344
 345         vv = LinearCoefficients[pt1];
 346
 347         for (pt2 = PIECE_TYPE_NONE; pt2 <= pt1; pt2++)
 348             vv +=  pieceCount[c][pt2] * QuadraticCoefficientsSameColor[pt1][pt2]
 349                  + pieceCount[them][pt2] * QuadraticCoefficientsOppositeColor[pt1][pt2];
 350
 351         v += pc * vv;
 352     }
 353     matValue += sign * v;
 354   }
 355   mi->value = int16_t(matValue / 16);
 356   return mi;
 357 }
 358
 359
 360 /// EndgameFunctions member definitions.
 361
 362 EndgameFunctions::EndgameFunctions() {
 363
 364   add<EvaluationFunction<KNNK>  >("KNNK");
 365   add<EvaluationFunction<KPK>   >("KPK");
 366   add<EvaluationFunction<KBNK>  >("KBNK");
 367   add<EvaluationFunction<KRKP>  >("KRKP");
 368   add<EvaluationFunction<KRKB>  >("KRKB");
 369   add<EvaluationFunction<KRKN>  >("KRKN");
 370   add<EvaluationFunction<KQKR>  >("KQKR");
 371   add<EvaluationFunction<KBBKN> >("KBBKN");
 372
 373   add<ScalingFunction<KNPK>    >("KNPK");
 374   add<ScalingFunction<KRPKR>   >("KRPKR");
 375   add<ScalingFunction<KBPKB>   >("KBPKB");
 376   add<ScalingFunction<KBPPKB>  >("KBPPKB");
 377   add<ScalingFunction<KBPKN>   >("KBPKN");
 378   add<ScalingFunction<KRPPKRP> >("KRPPKRP");
 379 }
 380
 381 EndgameFunctions::~EndgameFunctions() {
 382
 383     for (EFMap::const_iterator it = maps.first.begin(); it != maps.first.end(); ++it)
 384         delete it->second;
 385
 386     for (SFMap::const_iterator it = maps.second.begin(); it != maps.second.end(); ++it)
 387         delete it->second;
 388 }
 389
 390 Key EndgameFunctions::buildKey(const string& keyCode) {
 391
 392     assert(keyCode.length() > 0 && keyCode[0] == 'K');
 393     assert(keyCode.length() < 8);
 394
 395     stringstream s;
 396     bool upcase = false;
 397
 398     // Build up a fen string with the given pieces, note that
 399     // the fen string could be of an illegal position.
 400     for (size_t i = 0; i < keyCode.length(); i++)
 401     {
 402         if (keyCode[i] == 'K')
 403             upcase = !upcase;
 404
 405         s << char(upcase ? toupper(keyCode[i]) : tolower(keyCode[i]));
 406     }
 407     s << 8 - keyCode.length() << "/8/8/8/8/8/8/8 w - -";
 408     return Position(s.str(), 0).get_material_key();
 409 }
 410
 411 const string EndgameFunctions::swapColors(const string& keyCode) {
 412
 413     // Build corresponding key for the opposite color: "KBPKN" -> "KNKBP"
 414     size_t idx = keyCode.find("K", 1);
 415     return keyCode.substr(idx) + keyCode.substr(0, idx);
 416 }
 417
 418 template<class T>
 419 void EndgameFunctions::add(const string& keyCode) {
 420
 421   typedef typename T::Base F;
 422   typedef map<Key, F*> M;
 423
 424   const_cast<M&>(get<F>()).insert(pair<Key, F*>(buildKey(keyCode), new T(WHITE)));
 425   const_cast<M&>(get<F>()).insert(pair<Key, F*>(buildKey(swapColors(keyCode)), new T(BLACK)));
 426 }
 427
 428 template<class T>
 429 T* EndgameFunctions::get(Key key) const {
 430
 431   typename map<Key, T*>::const_iterator it = get<T>().find(key);
 432   return it != get<T>().end() ? it->second : NULL;
 433 }