7bb82d929b2c9abc21415e768de0baa07cd4592a
[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) 2008-2015 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
5   Copyright (C) 2015-2017 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
6
7   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
8   it under the terms of the GNU General Public License as published by
9   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
10   (at your option) any later version.
11
12   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
13   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15   GNU General Public License for more details.
16
17   You should have received a copy of the GNU General Public License
18   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
19 */
20
21 #include <algorithm>
22 #include <cassert>
23
24 #include "bitboard.h"
25 #include "pawns.h"
26 #include "position.h"
27 #include "thread.h"
28
29 namespace {
30
31   #define V Value
32   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
33
34   // Isolated pawn penalty
35   const Score Isolated = S(13, 18);
36
37   // Backward pawn penalty
38   const Score Backward = S(24, 12);
39
40   // Connected pawn bonus by opposed, phalanx, #support and rank
41   Score Connected[2][2][3][RANK_NB];
42
43   // Doubled pawn penalty
44   const Score Doubled = S(18, 38);
45
46   // Lever bonus by rank
47   const Score Lever[RANK_NB] = {
48     S( 0,  0), S( 0,  0), S(0, 0), S(0, 0),
49     S(17, 16), S(33, 32), S(0, 0), S(0, 0)
50   };
51
52   // Weakness of our pawn shelter in front of the king by [isKingFile][distance from edge][rank].
53   // RANK_1 = 0 is used for files where we have no pawns or our pawn is behind our king.
54   const Value ShelterWeakness[][int(FILE_NB) / 2][RANK_NB] = {
55     { { V( 97), V(17), V( 9), V(44), V( 84), V( 87), V( 99) }, // Not On King file
56       { V(106), V( 6), V(33), V(86), V( 87), V(104), V(112) },
57       { V(101), V( 2), V(65), V(98), V( 58), V( 89), V(115) },
58       { V( 73), V( 7), V(54), V(73), V( 84), V( 83), V(111) } },
59     { { V(104), V(20), V( 6), V(27), V( 86), V( 93), V( 82) }, // On King file
60       { V(123), V( 9), V(34), V(96), V(112), V( 88), V( 75) },
61       { V(120), V(25), V(65), V(91), V( 66), V( 78), V(117) },
62       { V( 81), V( 2), V(47), V(63), V( 94), V( 93), V(104) } }
63   };
64
65   // Danger of enemy pawns moving toward our king by [type][distance from edge][rank].
66   // For the unopposed and unblocked cases, RANK_1 = 0 is used when opponent has
67   // no pawn on the given file, or their pawn is behind our king.
68   const Value StormDanger[][4][RANK_NB] = {
69     { { V( 0),  V(-290), V(-274), V(57), V(41) },  // BlockedByKing
70       { V( 0),  V(  60), V( 144), V(39), V(13) },
71       { V( 0),  V(  65), V( 141), V(41), V(34) },
72       { V( 0),  V(  53), V( 127), V(56), V(14) } },
73     { { V( 4),  V(  73), V( 132), V(46), V(31) },  // Unopposed
74       { V( 1),  V(  64), V( 143), V(26), V(13) },
75       { V( 1),  V(  47), V( 110), V(44), V(24) },
76       { V( 0),  V(  72), V( 127), V(50), V(31) } },
77     { { V( 0),  V(   0), V(  79), V(23), V( 1) },  // BlockedByPawn
78       { V( 0),  V(   0), V( 148), V(27), V( 2) },
79       { V( 0),  V(   0), V( 161), V(16), V( 1) },
80       { V( 0),  V(   0), V( 171), V(22), V(15) } },
81     { { V(22),  V(  45), V( 104), V(62), V( 6) },  // Unblocked
82       { V(31),  V(  30), V(  99), V(39), V(19) },
83       { V(23),  V(  29), V(  96), V(41), V(15) },
84       { V(21),  V(  23), V( 116), V(41), V(15) } }
85   };
86
87   // Max bonus for king safety. Corresponds to start position with all the pawns
88   // in front of the king and no enemy pawn on the horizon.
89   const Value MaxSafetyBonus = V(258);
90
91   #undef S
92   #undef V
93
94   template<Color Us>
95   Score evaluate(const Position& pos, Pawns::Entry* e) {
96
97     const Color     Them  = (Us == WHITE ? BLACK      : WHITE);
98     const Direction Up    = (Us == WHITE ? NORTH      : SOUTH);
99     const Direction Right = (Us == WHITE ? NORTH_EAST : SOUTH_WEST);
100     const Direction Left  = (Us == WHITE ? NORTH_WEST : SOUTH_EAST);
101
102     Bitboard b, neighbours, stoppers, doubled, supported, phalanx;
103     Bitboard lever, leverPush;
104     Square s;
105     bool opposed, backward;
106     Score score = SCORE_ZERO;
107     const Square* pl = pos.squares<PAWN>(Us);
108
109     Bitboard ourPawns   = pos.pieces(  Us, PAWN);
110     Bitboard theirPawns = pos.pieces(Them, PAWN);
111
112     e->passedPawns[Us] = e->pawnAttacksSpan[Us] = e->weakUnopposed[Us] = 0;
113     e->semiopenFiles[Us] = 0xFF;
114     e->kingSquares[Us]   = SQ_NONE;
115     e->pawnAttacks[Us]   = shift<Right>(ourPawns) | shift<Left>(ourPawns);
116     e->pawnsOnSquares[Us][BLACK] = popcount(ourPawns & DarkSquares);
117     e->pawnsOnSquares[Us][WHITE] = pos.count<PAWN>(Us) - e->pawnsOnSquares[Us][BLACK];
118
119     // Loop through all pawns of the current color and score each pawn
120     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
121     {
122         assert(pos.piece_on(s) == make_piece(Us, PAWN));
123
124         File f = file_of(s);
125
126         e->semiopenFiles[Us]   &= ~(1 << f);
127         e->pawnAttacksSpan[Us] |= pawn_attack_span(Us, s);
128
129         // Flag the pawn
130         opposed    = theirPawns & forward_file_bb(Us, s);
131         stoppers   = theirPawns & passed_pawn_mask(Us, s);
132         lever      = theirPawns & PawnAttacks[Us][s];
133         leverPush  = theirPawns & PawnAttacks[Us][s + Up];
134         doubled    = ourPawns   & (s - Up);
135         neighbours = ourPawns   & adjacent_files_bb(f);
136         phalanx    = neighbours & rank_bb(s);
137         supported  = neighbours & rank_bb(s - Up);
138
139         // A pawn is backward when it is behind all pawns of the same color on the
140         // adjacent files and cannot be safely advanced.
141         if (!neighbours || lever || relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
142             backward = false;
143         else
144         {
145             // Find the backmost rank with neighbours or stoppers
146             b = rank_bb(backmost_sq(Us, neighbours | stoppers));
147
148             // The pawn is backward when it cannot safely progress to that rank:
149             // either there is a stopper in the way on this rank, or there is a
150             // stopper on adjacent file which controls the way to that rank.
151             backward = (b | shift<Up>(b & adjacent_files_bb(f))) & stoppers;
152
153             assert(!(backward && (forward_ranks_bb(Them, s + Up) & neighbours)));
154         }
155
156         // Passed pawns will be properly scored in evaluation because we need
157         // full attack info to evaluate them. Include also not passed pawns
158         // which could become passed after one or two pawn pushes when are
159         // not attacked more times than defended.
160         if (   !(stoppers ^ lever ^ leverPush)
161             && !(ourPawns & forward_file_bb(Us, s))
162             && popcount(supported) >= popcount(lever)
163             && popcount(phalanx)   >= popcount(leverPush))
164             e->passedPawns[Us] |= s;
165
166         else if (   stoppers == SquareBB[s + Up]
167                  && relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
168         {
169             b = shift<Up>(supported) & ~theirPawns;
170             while (b)
171                 if (!more_than_one(theirPawns & PawnAttacks[Us][pop_lsb(&b)]))
172                     e->passedPawns[Us] |= s;
173         }
174
175         // Score this pawn
176         if (supported | phalanx)
177             score += Connected[opposed][bool(phalanx)][popcount(supported)][relative_rank(Us, s)];
178
179         else if (!neighbours)
180             score -= Isolated, e->weakUnopposed[Us] += !opposed;
181
182         else if (backward)
183             score -= Backward, e->weakUnopposed[Us] += !opposed;
184
185         if (doubled && !supported)
186             score -= Doubled;
187
188         if (lever)
189             score += Lever[relative_rank(Us, s)];
190     }
191
192     return score;
193   }
194
195 } // namespace
196
197 namespace Pawns {
198
199 /// Pawns::init() initializes some tables needed by evaluation. Instead of using
200 /// hard-coded tables, when makes sense, we prefer to calculate them with a formula
201 /// to reduce independent parameters and to allow easier tuning and better insight.
202
203 void init() {
204
205   static const int Seed[RANK_NB] = { 0, 13, 24, 18, 76, 100, 175, 330 };
206
207   for (int opposed = 0; opposed <= 1; ++opposed)
208       for (int phalanx = 0; phalanx <= 1; ++phalanx)
209           for (int support = 0; support <= 2; ++support)
210               for (Rank r = RANK_2; r < RANK_8; ++r)
211   {
212       int v = 17 * support;
213       v += (Seed[r] + (phalanx ? (Seed[r + 1] - Seed[r]) / 2 : 0)) >> opposed;
214
215       Connected[opposed][phalanx][support][r] = make_score(v, v * (r - 2) / 4);
216   }
217 }
218
219
220 /// Pawns::probe() looks up the current position's pawns configuration in
221 /// the pawns hash table. It returns a pointer to the Entry if the position
222 /// is found. Otherwise a new Entry is computed and stored there, so we don't
223 /// have to recompute all when the same pawns configuration occurs again.
224
225 Entry* probe(const Position& pos) {
226
227   Key key = pos.pawn_key();
228   Entry* e = pos.this_thread()->pawnsTable[key];
229
230   if (e->key == key)
231       return e;
232
233   e->key = key;
234   e->score = evaluate<WHITE>(pos, e) - evaluate<BLACK>(pos, e);
235   e->asymmetry = popcount(e->semiopenFiles[WHITE] ^ e->semiopenFiles[BLACK]);
236   e->openFiles = popcount(e->semiopenFiles[WHITE] & e->semiopenFiles[BLACK]);
237   return e;
238 }
239
240
241 /// Entry::shelter_storm() calculates shelter and storm penalties for the file
242 /// the king is on, as well as the two closest files.
243
244 template<Color Us>
245 Value Entry::shelter_storm(const Position& pos, Square ksq) {
246
247   const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
248
249   enum { BlockedByKing, Unopposed, BlockedByPawn, Unblocked };
250
251   Bitboard b = pos.pieces(PAWN) & (forward_ranks_bb(Us, ksq) | rank_bb(ksq));
252   Bitboard ourPawns = b & pos.pieces(Us);
253   Bitboard theirPawns = b & pos.pieces(Them);
254   Value safety = MaxSafetyBonus;
255   File center = std::max(FILE_B, std::min(FILE_G, file_of(ksq)));
256
257   for (File f = File(center - 1); f <= File(center + 1); ++f)
258   {
259       b = ourPawns & file_bb(f);
260       Rank rkUs = b ? relative_rank(Us, backmost_sq(Us, b)) : RANK_1;
261
262       b = theirPawns & file_bb(f);
263       Rank rkThem = b ? relative_rank(Us, frontmost_sq(Them, b)) : RANK_1;
264
265       int d = std::min(f, ~f);
266       safety -=  ShelterWeakness[f == file_of(ksq)][d][rkUs]
267                + StormDanger
268                  [f == file_of(ksq) && rkThem == relative_rank(Us, ksq) + 1 ? BlockedByKing  :
269                   rkUs   == RANK_1                                          ? Unopposed :
270                   rkThem == rkUs + 1                                        ? BlockedByPawn  : Unblocked]
271                  [d][rkThem];
272   }
273
274   return safety;
275 }
276
277
278 /// Entry::do_king_safety() calculates a bonus for king safety. It is called only
279 /// when king square changes, which is about 20% of total king_safety() calls.
280
281 template<Color Us>
282 Score Entry::do_king_safety(const Position& pos, Square ksq) {
283
284   kingSquares[Us] = ksq;
285   castlingRights[Us] = pos.can_castle(Us);
286   int minKingPawnDistance = 0;
287
288   Bitboard pawns = pos.pieces(Us, PAWN);
289   if (pawns)
290       while (!(DistanceRingBB[ksq][minKingPawnDistance++] & pawns)) {}
291
292   Value bonus = shelter_storm<Us>(pos, ksq);
293
294   // If we can castle use the bonus after the castling if it is bigger
295   if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, KING_SIDE>::right))
296       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_G1)));
297
298   if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, QUEEN_SIDE>::right))
299       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_C1)));
300
301   return make_score(bonus, -16 * minKingPawnDistance);
302 }
303
304 // Explicit template instantiation
305 template Score Entry::do_king_safety<WHITE>(const Position& pos, Square ksq);
306 template Score Entry::do_king_safety<BLACK>(const Position& pos, Square ksq);
307
308 } // namespace Pawns