d34839808b3360a33848ff20dd0fd73b802a8af2
[stockfish] / 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 <sstream>
27 #include <map>
28
29 #include "material.h"
30
31 using namespace std;
32
33
34 ////
35 //// Local definitions
36 ////
37
38 namespace {
39
40   // Values modified by Joona Kiiski
41   const Value MidgameLimit = Value(15581);
42   const Value EndgameLimit = Value(3998);
43
44   // Polynomial material balance parameters
45   const Value RedundantQueenPenalty = Value(320);
46   const Value RedundantRookPenalty  = Value(554);
47
48   const int LinearCoefficients[6] = { 1617, -162, -1172, -190, 105, 26 };
49
50   const int QuadraticCoefficientsSameColor[][6] = {
51   { 7, 7, 7, 7, 7, 7 }, { 39, 2, 7, 7, 7, 7 }, { 35, 271, -4, 7, 7, 7 },
52   { 7, 25, 4, 7, 7, 7 }, { -27, -2, 46, 100, 56, 7 }, { 58, 29, 83, 148, -3, -25 } };
53
54   const int QuadraticCoefficientsOppositeColor[][6] = {
55   { 41, 41, 41, 41, 41, 41 }, { 37, 41, 41, 41, 41, 41 }, { 10, 62, 41, 41, 41, 41 },
56   { 57, 64, 39, 41, 41, 41 }, { 50, 40, 23, -22, 41, 41 }, { 106, 101, 3, 151, 171, 41 } };
57
58   // Named endgame evaluation and scaling functions, these
59   // are accessed direcly and not through the function maps.
60   EvaluationFunction<KmmKm> EvaluateKmmKm(WHITE);
61   EvaluationFunction<KXK>   EvaluateKXK(WHITE), EvaluateKKX(BLACK);
62   ScalingFunction<KBPsK>    ScaleKBPsK(WHITE),  ScaleKKBPs(BLACK);
63   ScalingFunction<KQKRPs>   ScaleKQKRPs(WHITE), ScaleKRPsKQ(BLACK);
64   ScalingFunction<KPsK>     ScaleKPsK(WHITE),   ScaleKKPs(BLACK);
65   ScalingFunction<KPKP>     ScaleKPKPw(WHITE),  ScaleKPKPb(BLACK);
66
67   typedef EndgameEvaluationFunctionBase EF;
68   typedef EndgameScalingFunctionBase SF;
69
70   // Helper templates used to detect a given material distribution
71   template<Color Us> bool is_KXK(const Position& pos) {
72     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
73     return   pos.non_pawn_material(Them) == Value(0)
74           && pos.piece_count(Them, PAWN) == 0
75           && pos.non_pawn_material(Us) >= RookValueMidgame;
76   }
77
78   template<Color Us> bool is_KBPsK(const Position& pos) {
79     return   pos.non_pawn_material(Us)   == BishopValueMidgame
80           && pos.piece_count(Us, BISHOP) == 1
81           && pos.piece_count(Us, PAWN)   >= 1;
82   }
83
84   template<Color Us> bool is_KQKRPs(const Position& pos) {
85     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
86     return   pos.piece_count(Us, PAWN)    == 0
87           && pos.non_pawn_material(Us)    == QueenValueMidgame
88           && pos.piece_count(Us, QUEEN)   == 1
89           && pos.piece_count(Them, ROOK)  == 1
90           && pos.piece_count(Them, PAWN)  >= 1;
91   }
92 }
93
94
95 ////
96 //// Classes
97 ////
98
99 /// EndgameFunctions class stores endgame evaluation and scaling functions
100 /// in two std::map. Because STL library is not guaranteed to be thread
101 /// safe even for read access, the maps, although with identical content,
102 /// are replicated for each thread. This is faster then using locks.
103
104 class EndgameFunctions {
105 public:
106   EndgameFunctions();
107   ~EndgameFunctions();
108   template<class T> T* get(Key key) const;
109
110 private:
111   template<class T> void add(const string& keyCode);
112
113   static Key buildKey(const string& keyCode);
114   static const string swapColors(const string& keyCode);
115
116   // Here we store two maps, for evaluate and scaling functions
117   pair<map<Key, EF*>, map<Key, SF*> > maps;
118
119   // Maps accessing functions returning const and non-const references
120   template<typename T> const map<Key, T*>& get() const { return maps.first; }
121   template<typename T> map<Key, T*>& get() { return maps.first; }
122 };
123
124 // Explicit specializations of a member function shall be declared in
125 // the namespace of which the class template is a member.
126 template<> const map<Key, SF*>&
127 EndgameFunctions::get<SF>() const { return maps.second; }
128
129 template<> map<Key, SF*>&
130 EndgameFunctions::get<SF>() { return maps.second; }
131
132
133 ////
134 //// Functions
135 ////
136
137 /// MaterialInfoTable c'tor and d'tor, called once by each thread
138
139 MaterialInfoTable::MaterialInfoTable(unsigned int numOfEntries) {
140
141   size = numOfEntries;
142   entries = new MaterialInfo[size];
143   funcs = new EndgameFunctions();
144
145   if (!entries || !funcs)
146   {
147       cerr << "Failed to allocate " << numOfEntries * sizeof(MaterialInfo)
148            << " bytes for material hash table." << endl;
149       Application::exit_with_failure();
150   }
151 }
152
153 MaterialInfoTable::~MaterialInfoTable() {
154
155   delete funcs;
156   delete [] entries;
157 }
158
159
160 /// MaterialInfoTable::game_phase() calculates the phase given the current
161 /// position. Because the phase is strictly a function of the material, it
162 /// is stored in MaterialInfo.
163
164 Phase MaterialInfoTable::game_phase(const Position& pos) {
165
166   Value npm = pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK);
167
168   if (npm >= MidgameLimit)
169       return PHASE_MIDGAME;
170   else 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   int index = key & (size - 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   mi->clear();
196   mi->key = key;
197
198   // Store game phase
199   mi->gamePhase = MaterialInfoTable::game_phase(pos);
200
201   // Let's look if we have a specialized evaluation function for this
202   // particular material configuration. First we look for a fixed
203   // configuration one, then a generic one if previous search failed.
204   if ((mi->evaluationFunction = funcs->get<EF>(key)) != NULL)
205       return mi;
206
207   else if (is_KXK<WHITE>(pos) || is_KXK<BLACK>(pos))
208   {
209       mi->evaluationFunction = is_KXK<WHITE>(pos) ? &EvaluateKXK : &EvaluateKKX;
210       return mi;
211   }
212   else if (   pos.pieces(PAWN)  == EmptyBoardBB
213            && pos.pieces(ROOK)  == EmptyBoardBB
214            && pos.pieces(QUEEN) == EmptyBoardBB)
215   {
216       // Minor piece endgame with at least one minor piece per side and
217       // no pawns. Note that the case KmmK is already handled by KXK.
218       assert((pos.pieces(KNIGHT, WHITE) | pos.pieces(BISHOP, WHITE)));
219       assert((pos.pieces(KNIGHT, BLACK) | pos.pieces(BISHOP, BLACK)));
220
221       if (   pos.piece_count(WHITE, BISHOP) + pos.piece_count(WHITE, KNIGHT) <= 2
222           && pos.piece_count(BLACK, BISHOP) + pos.piece_count(BLACK, KNIGHT) <= 2)
223       {
224           mi->evaluationFunction = &EvaluateKmmKm;
225           return mi;
226       }
227   }
228
229   // OK, we didn't find any special evaluation function for the current
230   // material configuration. Is there a suitable scaling function?
231   //
232   // The code below is rather messy, and it could easily get worse later,
233   // if we decide to add more special cases. We face problems when there
234   // are several conflicting applicable scaling functions and we need to
235   // 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;
249
250   if (is_KBPsK<BLACK>(pos))
251       mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKKBPs;
252
253   if (is_KQKRPs<WHITE>(pos))
254       mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKQKRPs;
255
256   else if (is_KQKRPs<BLACK>(pos))
257       mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKRPsKQ;
258
259   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) == Value(0))
260   {
261       if (pos.piece_count(BLACK, PAWN) == 0)
262       {
263           assert(pos.piece_count(WHITE, PAWN) >= 2);
264           mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKPsK;
265       }
266       else if (pos.piece_count(WHITE, PAWN) == 0)
267       {
268           assert(pos.piece_count(BLACK, PAWN) >= 2);
269           mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKKPs;
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] = &ScaleKPKPw;
276           mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKPKPb;
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 NO_PIECE_TYPE 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 = NO_PIECE_TYPE; pt1 <= QUEEN; pt1++)
340     {
341         pc = pieceCount[c][pt1];
342         if (!pc)
343             continue;
344
345         vv = LinearCoefficients[pt1];
346
347         for (pt2 = NO_PIECE_TYPE; 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 (map<Key, EF*>::iterator it = maps.first.begin(); it != maps.first.end(); ++it)
384         delete (*it).second;
385
386     for (map<Key, SF*>::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()).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
423   get<F>().insert(pair<Key, F*>(buildKey(keyCode), new T(WHITE)));
424   get<F>().insert(pair<Key, F*>(buildKey(swapColors(keyCode)), new T(BLACK)));
425 }
426
427 template<class T>
428 T* EndgameFunctions::get(Key key) const {
429
430   typename map<Key, T*>::const_iterator it(get<T>().find(key));
431   return (it != get<T>().end() ? it->second : NULL);
432 }