Re-add "Pawn Structure" UCI option
[stockfish] / src / pawns.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) 2008-2013 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
22 #include "bitboard.h"
23 #include "bitcount.h"
24 #include "pawns.h"
25 #include "position.h"
26
27 namespace {
28
29   #define V Value
30   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
31
32   // Doubled pawn penalty by opposed flag and file
33   const Score DoubledPawnPenalty[2][FILE_NB] = {
34   { S(13, 43), S(20, 48), S(23, 48), S(23, 48),
35     S(23, 48), S(23, 48), S(20, 48), S(13, 43) },
36   { S(13, 43), S(20, 48), S(23, 48), S(23, 48),
37     S(23, 48), S(23, 48), S(20, 48), S(13, 43) }};
38
39   // Isolated pawn penalty by opposed flag and file
40   const Score IsolatedPawnPenalty[2][FILE_NB] = {
41   { S(37, 45), S(54, 52), S(60, 52), S(60, 52),
42     S(60, 52), S(60, 52), S(54, 52), S(37, 45) },
43   { S(25, 30), S(36, 35), S(40, 35), S(40, 35),
44     S(40, 35), S(40, 35), S(36, 35), S(25, 30) }};
45
46   // Backward pawn penalty by opposed flag and file
47   const Score BackwardPawnPenalty[2][FILE_NB] = {
48   { S(30, 42), S(43, 46), S(49, 46), S(49, 46),
49     S(49, 46), S(49, 46), S(43, 46), S(30, 42) },
50   { S(20, 28), S(29, 31), S(33, 31), S(33, 31),
51     S(33, 31), S(33, 31), S(29, 31), S(20, 28) }};
52
53   // Pawn chain membership bonus by file
54   const Score ChainBonus[FILE_NB] = {
55     S(11,-1), S(13,-1), S(13,-1), S(14,-1),
56     S(14,-1), S(13,-1), S(13,-1), S(11,-1)
57   };
58
59   // Candidate passed pawn bonus by rank
60   const Score CandidateBonus[RANK_NB] = {
61     S( 0, 0), S( 6, 13), S(6,13), S(14,29),
62     S(34,68), S(83,166), S(0, 0), S( 0, 0)
63   };
64
65   // Weakness of our pawn shelter in front of the king indexed by [king pawn][rank]
66   const Value ShelterWeakness[2][RANK_NB] =
67   { { V(141), V(0), V(38), V(102), V(128), V(141), V(141) },
68     { V( 61), V(0), V(16), V( 44), V( 56), V( 61), V( 61) } };
69
70   // Danger of enemy pawns moving toward our king indexed by [pawn blocked][rank]
71   const Value StormDanger[2][RANK_NB] =
72   { { V(26), V(0), V(128), V(51), V(26) },
73     { V(13), V(0), V( 64), V(25), V(13) } };
74
75   // Max bonus for king safety. Corresponds to start position with all the pawns
76   // in front of the king and no enemy pawn on the horizont.
77   const Value MaxSafetyBonus = V(263);
78
79   #undef S
80   #undef V
81
82   template<Color Us>
83   Score evaluate_pawns(const Position& pos, Bitboard ourPawns,
84                        Bitboard theirPawns, Pawns::Entry* e) {
85
86     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
87
88     Bitboard b;
89     Square s;
90     File f;
91     Rank r;
92     bool passed, isolated, doubled, opposed, chain, backward, candidate;
93     Score value = SCORE_ZERO;
94     const Square* pl = pos.piece_list(Us, PAWN);
95
96     // Loop through all pawns of the current color and score each pawn
97     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
98     {
99         assert(pos.piece_on(s) == make_piece(Us, PAWN));
100
101         f = file_of(s);
102         r = rank_of(s);
103
104         // This file cannot be half open
105         e->halfOpenFiles[Us] &= ~(1 << f);
106
107         // Our rank plus previous one. Used for chain detection
108         b = rank_bb(r) | rank_bb(Us == WHITE ? r - Rank(1) : r + Rank(1));
109
110         // Flag the pawn as passed, isolated, doubled or member of a pawn
111         // chain (but not the backward one).
112         chain    =   ourPawns   & adjacent_files_bb(f) & b;
113         isolated = !(ourPawns   & adjacent_files_bb(f));
114         doubled  =   ourPawns   & forward_bb(Us, s);
115         opposed  =   theirPawns & forward_bb(Us, s);
116         passed   = !(theirPawns & passed_pawn_mask(Us, s));
117
118         // Test for backward pawn
119         backward = false;
120
121         // If the pawn is passed, isolated, or member of a pawn chain it cannot
122         // be backward. If there are friendly pawns behind on adjacent files
123         // or if can capture an enemy pawn it cannot be backward either.
124         if (   !(passed | isolated | chain)
125             && !(ourPawns & attack_span_mask(Them, s))
126             && !(pos.attacks_from<PAWN>(s, Us) & theirPawns))
127         {
128             // We now know that there are no friendly pawns beside or behind this
129             // pawn on adjacent files. We now check whether the pawn is
130             // backward by looking in the forward direction on the adjacent
131             // files, and seeing whether we meet a friendly or an enemy pawn first.
132             b = pos.attacks_from<PAWN>(s, Us);
133
134             // Note that we are sure to find something because pawn is not passed
135             // nor isolated, so loop is potentially infinite, but it isn't.
136             while (!(b & (ourPawns | theirPawns)))
137                 Us == WHITE ? b <<= 8 : b >>= 8;
138
139             // The friendly pawn needs to be at least two ranks closer than the
140             // enemy pawn in order to help the potentially backward pawn advance.
141             backward = (b | (Us == WHITE ? b << 8 : b >> 8)) & theirPawns;
142         }
143
144         assert(opposed | passed | (attack_span_mask(Us, s) & theirPawns));
145
146         // A not passed pawn is a candidate to become passed if it is free to
147         // advance and if the number of friendly pawns beside or behind this
148         // pawn on adjacent files is higher or equal than the number of
149         // enemy pawns in the forward direction on the adjacent files.
150         candidate =   !(opposed | passed | backward | isolated)
151                    && (b = attack_span_mask(Them, s + pawn_push(Us)) & ourPawns) != 0
152                    &&  popcount<Max15>(b) >= popcount<Max15>(attack_span_mask(Us, s) & theirPawns);
153
154         // Passed pawns will be properly scored in evaluation because we need
155         // full attack info to evaluate passed pawns. Only the frontmost passed
156         // pawn on each file is considered a true passed pawn.
157         if (passed && !doubled)
158             e->passedPawns[Us] |= s;
159
160         // Score this pawn
161         if (isolated)
162             value -= IsolatedPawnPenalty[opposed][f];
163
164         if (doubled)
165             value -= DoubledPawnPenalty[opposed][f];
166
167         if (backward)
168             value -= BackwardPawnPenalty[opposed][f];
169
170         if (chain)
171             value += ChainBonus[f];
172
173         if (candidate)
174             value += CandidateBonus[relative_rank(Us, s)];
175     }
176
177     e->pawnsOnSquares[Us][BLACK] = popcount<Max15>(ourPawns & BlackSquares);
178     e->pawnsOnSquares[Us][WHITE] = pos.piece_count(Us, PAWN) - e->pawnsOnSquares[Us][BLACK];
179
180     e->pawnsOnSquares[Them][BLACK] = popcount<Max15>(theirPawns & BlackSquares);
181     e->pawnsOnSquares[Them][WHITE] = pos.piece_count(Them, PAWN) - e->pawnsOnSquares[Them][BLACK];
182
183     return value;
184   }
185 }
186
187 namespace Pawns {
188
189 /// probe() takes a position object as input, computes a Entry object, and returns
190 /// a pointer to it. The result is also stored in a hash table, so we don't have
191 /// to recompute everything when the same pawn structure occurs again.
192
193 Entry* probe(const Position& pos, Table& entries) {
194
195   Key key = pos.pawn_key();
196   Entry* e = entries[key];
197
198   // If e->key matches the position's pawn hash key, it means that we
199   // have analysed this pawn structure before, and we can simply return
200   // the information we found the last time instead of recomputing it.
201   if (e->key == key)
202       return e;
203
204   e->key = key;
205   e->passedPawns[WHITE] = e->passedPawns[BLACK] = 0;
206   e->kingSquares[WHITE] = e->kingSquares[BLACK] = SQ_NONE;
207   e->halfOpenFiles[WHITE] = e->halfOpenFiles[BLACK] = 0xFF;
208
209   Bitboard wPawns = pos.pieces(WHITE, PAWN);
210   Bitboard bPawns = pos.pieces(BLACK, PAWN);
211   e->pawnAttacks[WHITE] = ((wPawns & ~FileHBB) << 9) | ((wPawns & ~FileABB) << 7);
212   e->pawnAttacks[BLACK] = ((bPawns & ~FileHBB) >> 7) | ((bPawns & ~FileABB) >> 9);
213
214   e->value =  evaluate_pawns<WHITE>(pos, wPawns, bPawns, e)
215             - evaluate_pawns<BLACK>(pos, bPawns, wPawns, e);
216   return e;
217 }
218
219
220 /// Entry::shelter_storm() calculates shelter and storm penalties for the file
221 /// the king is on, as well as the two adjacent files.
222
223 template<Color Us>
224 Value Entry::shelter_storm(const Position& pos, Square ksq) {
225
226   const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
227
228   Value safety = MaxSafetyBonus;
229   Bitboard b = pos.pieces(PAWN) & (in_front_bb(Us, ksq) | rank_bb(ksq));
230   Bitboard ourPawns = b & pos.pieces(Us) & ~rank_bb(ksq);
231   Bitboard theirPawns = b & pos.pieces(Them);
232   Rank rkUs, rkThem;
233   File kf = file_of(ksq);
234
235   kf = (kf == FILE_A) ? FILE_B : (kf == FILE_H) ? FILE_G : kf;
236
237   for (int f = kf - 1; f <= kf + 1; f++)
238   {
239       // Shelter penalty is higher for the pawn in front of the king
240       b = ourPawns & FileBB[f];
241       rkUs = b ? rank_of(Us == WHITE ? lsb(b) : ~msb(b)) : RANK_1;
242       safety -= ShelterWeakness[f != kf][rkUs];
243
244       // Storm danger is smaller if enemy pawn is blocked
245       b  = theirPawns & FileBB[f];
246       rkThem = b ? rank_of(Us == WHITE ? lsb(b) : ~msb(b)) : RANK_1;
247       safety -= StormDanger[rkThem == rkUs + 1][rkThem];
248   }
249
250   return safety;
251 }
252
253
254 /// Entry::update_safety() calculates and caches a bonus for king safety. It is
255 /// called only when king square changes, about 20% of total king_safety() calls.
256
257 template<Color Us>
258 Score Entry::update_safety(const Position& pos, Square ksq) {
259
260   kingSquares[Us] = ksq;
261   castleRights[Us] = pos.can_castle(Us);
262   minKPdistance[Us] = 0;
263
264   Bitboard pawns = pos.pieces(Us, PAWN);
265   if (pawns)
266       while (!(DistanceRingsBB[ksq][minKPdistance[Us]++] & pawns)) {}
267
268   if (relative_rank(Us, ksq) > RANK_4)
269       return kingSafety[Us] = make_score(0, -16 * minKPdistance[Us]);
270
271   Value bonus = shelter_storm<Us>(pos, ksq);
272
273   // If we can castle use the bonus after the castle if is bigger
274   if (pos.can_castle(make_castle_right(Us, KING_SIDE)))
275       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_G1)));
276
277   if (pos.can_castle(make_castle_right(Us, QUEEN_SIDE)))
278       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_C1)));
279
280   return kingSafety[Us] = make_score(bonus, -16 * minKPdistance[Us]);
281 }
282
283 // Explicit template instantiation
284 template Score Entry::update_safety<WHITE>(const Position& pos, Square ksq);
285 template Score Entry::update_safety<BLACK>(const Position& pos, Square ksq);
286
287 } // namespace Pawns