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