Backward simplication
[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) 2015-2016 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 by opposed flag and file
35   const Score Isolated[2][FILE_NB] = {
36     { S(31, 36), S(45, 41), S(50, 41), S(50, 41),
37       S(50, 41), S(50, 41), S(45, 41), S(31, 36) },
38     { S(21, 24), S(30, 28), S(33, 28), S(33, 28),
39       S(33, 28), S(33, 28), S(30, 28), S(21, 24) } };
40
41   // Backward pawn penalty by opposed flag
42   const Score Backward[2] = { S(56, 33), S(41, 19) };
43
44   // Unsupported pawn penalty for pawns which are neither isolated or backward,
45   // by number of pawns it supports [less than 2 / exactly 2].
46   const Score Unsupported[2] = { S(17, 8), S(21, 12) };
47
48   // Connected pawn bonus by opposed, phalanx, twice supported and rank
49   Score Connected[2][2][2][RANK_NB];
50
51   // Doubled pawn penalty by file
52   const Score Doubled[FILE_NB] = {
53     S(11, 34), S(17, 38), S(19, 38), S(19, 38),
54     S(19, 38), S(19, 38), S(17, 38), S(11, 34) };
55
56   // Lever bonus by rank
57   const Score Lever[RANK_NB] = {
58     S( 0,  0), S( 0,  0), S(0, 0), S(0, 0),
59     S(17, 16), S(33, 32), S(0, 0), S(0, 0) };
60
61   // Weakness of our pawn shelter in front of the king by [distance from edge][rank]
62   const Value ShelterWeakness[][RANK_NB] = {
63     { V( 97), V(21), V(26), V(51), V(87), V( 89), V( 99) },
64     { V(120), V( 0), V(28), V(76), V(88), V(103), V(104) },
65     { V(101), V( 7), V(54), V(78), V(77), V( 92), V(101) },
66     { V( 80), V(11), V(44), V(68), V(87), V( 90), V(119) } };
67
68   // Danger of enemy pawns moving toward our king by [type][distance from edge][rank]
69   const Value StormDanger[][4][RANK_NB] = {
70     { { V( 0),  V(  67), V( 134), V(38), V(32) },
71       { V( 0),  V(  57), V( 139), V(37), V(22) },
72       { V( 0),  V(  43), V( 115), V(43), V(27) },
73       { V( 0),  V(  68), V( 124), V(57), V(32) } },
74     { { V(20),  V(  43), V( 100), V(56), V(20) },
75       { V(23),  V(  20), V(  98), V(40), V(15) },
76       { V(23),  V(  39), V( 103), V(36), V(18) },
77       { V(28),  V(  19), V( 108), V(42), V(26) } },
78     { { V( 0),  V(   0), V(  75), V(14), V( 2) },
79       { V( 0),  V(   0), V( 150), V(30), V( 4) },
80       { V( 0),  V(   0), V( 160), V(22), V( 5) },
81       { V( 0),  V(   0), V( 166), V(24), V(13) } },
82     { { V( 0),  V(-283), V(-281), V(57), V(31) },
83       { V( 0),  V(  58), V( 141), V(39), V(18) },
84       { V( 0),  V(  65), V( 142), V(48), V(32) },
85       { V( 0),  V(  60), V( 126), V(51), V(19) } } };
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 Square Up    = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
99     const Square Right = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
100     const Square Left  = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
101
102     Bitboard b, neighbours, stoppers, doubled, supported, phalanx;
103     Square s;
104     bool opposed, lever, connected, backward;
105     Score score = SCORE_ZERO;
106     const Square* pl = pos.squares<PAWN>(Us);
107     const Bitboard* pawnAttacksBB = StepAttacksBB[make_piece(Us, PAWN)];
108
109     Bitboard ourPawns   = pos.pieces(Us  , PAWN);
110     Bitboard theirPawns = pos.pieces(Them, PAWN);
111
112     e->passedPawns[Us] = e->pawnAttacksSpan[Us] = 0;
113     e->kingSquares[Us] = SQ_NONE;
114     e->semiopenFiles[Us] = 0xFF;
115     e->pawnAttacks[Us] = shift_bb<Right>(ourPawns) | shift_bb<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_bb(Us, s);
131         stoppers   = theirPawns & passed_pawn_mask(Us, s);
132         lever      = theirPawns & pawnAttacksBB[s];
133         doubled    = ourPawns   & forward_bb(Us, s);
134         neighbours = ourPawns   & adjacent_files_bb(f);
135         phalanx    = neighbours & rank_bb(s);
136         supported  = neighbours & rank_bb(s - Up);
137         connected  = supported | phalanx;
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_bb<Up>(b & adjacent_files_bb(f))) & stoppers;
152             
153             assert(!backward || !(pawn_attack_span(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. Only the frontmost passed
158         // pawn on each file is considered a true passed pawn.
159         if (!(stoppers | doubled))
160             e->passedPawns[Us] |= s;
161
162         // Score this pawn
163         if (!neighbours)
164             score -= Isolated[opposed][f];
165
166         else if (backward)
167             score -= Backward[opposed];
168
169         else if (!supported)
170             score -= Unsupported[more_than_one(neighbours & pawnAttacksBB[s])];
171
172         if (connected)
173             score += Connected[opposed][!!phalanx][more_than_one(supported)][relative_rank(Us, s)];
174
175         if (doubled)
176             score -= Doubled[f] / distance<Rank>(s, frontmost_sq(Us, doubled));
177
178         if (lever)
179             score += Lever[relative_rank(Us, s)];
180     }
181
182     b = e->semiopenFiles[Us] ^ 0xFF;
183     e->pawnSpan[Us] = b ? int(msb(b) - lsb(b)) : 0;
184
185     return score;
186   }
187
188 } // namespace
189
190 namespace Pawns {
191
192 /// Pawns::init() initializes some tables needed by evaluation. Instead of using
193 /// hard-coded tables, when makes sense, we prefer to calculate them with a formula
194 /// to reduce independent parameters and to allow easier tuning and better insight.
195
196 void init()
197 {
198   static const int Seed[RANK_NB] = { 0, 8, 19, 13, 71, 94, 169, 324 };
199
200   for (int opposed = 0; opposed <= 1; ++opposed)
201       for (int phalanx = 0; phalanx <= 1; ++phalanx)
202           for (int apex = 0; apex <= 1; ++apex)
203               for (Rank r = RANK_2; r < RANK_8; ++r)
204   {
205       int v = (Seed[r] + (phalanx ? (Seed[r + 1] - Seed[r]) / 2 : 0)) >> opposed;
206       v += (apex ? v / 2 : 0);
207       Connected[opposed][phalanx][apex][r] = make_score(v, v * 5 / 8);
208   }
209 }
210
211
212 /// Pawns::probe() looks up the current position's pawns configuration in
213 /// the pawns hash table. It returns a pointer to the Entry if the position
214 /// is found. Otherwise a new Entry is computed and stored there, so we don't
215 /// have to recompute all when the same pawns configuration occurs again.
216
217 Entry* probe(const Position& pos) {
218
219   Key key = pos.pawn_key();
220   Entry* e = pos.this_thread()->pawnsTable[key];
221
222   if (e->key == key)
223       return e;
224
225   e->key = key;
226   e->score = evaluate<WHITE>(pos, e) - evaluate<BLACK>(pos, e);
227   e->asymmetry = popcount(e->semiopenFiles[WHITE] ^ e->semiopenFiles[BLACK]);
228   return e;
229 }
230
231
232 /// Entry::shelter_storm() calculates shelter and storm penalties for the file
233 /// the king is on, as well as the two adjacent files.
234
235 template<Color Us>
236 Value Entry::shelter_storm(const Position& pos, Square ksq) {
237
238   const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
239
240   enum { NoFriendlyPawn, Unblocked, BlockedByPawn, BlockedByKing };
241
242   Bitboard b = pos.pieces(PAWN) & (in_front_bb(Us, rank_of(ksq)) | rank_bb(ksq));
243   Bitboard ourPawns = b & pos.pieces(Us);
244   Bitboard theirPawns = b & pos.pieces(Them);
245   Value safety = MaxSafetyBonus;
246   File center = std::max(FILE_B, std::min(FILE_G, file_of(ksq)));
247
248   for (File f = center - File(1); f <= center + File(1); ++f)
249   {
250       b = ourPawns & file_bb(f);
251       Rank rkUs = b ? relative_rank(Us, backmost_sq(Us, b)) : RANK_1;
252
253       b  = theirPawns & file_bb(f);
254       Rank rkThem = b ? relative_rank(Us, frontmost_sq(Them, b)) : RANK_1;
255
256       safety -=  ShelterWeakness[std::min(f, FILE_H - f)][rkUs]
257                + StormDanger
258                  [f == file_of(ksq) && rkThem == relative_rank(Us, ksq) + 1 ? BlockedByKing  :
259                   rkUs   == RANK_1                                          ? NoFriendlyPawn :
260                   rkThem == rkUs + 1                                        ? BlockedByPawn  : Unblocked]
261                  [std::min(f, FILE_H - f)][rkThem];
262   }
263
264   return safety;
265 }
266
267
268 /// Entry::do_king_safety() calculates a bonus for king safety. It is called only
269 /// when king square changes, which is about 20% of total king_safety() calls.
270
271 template<Color Us>
272 Score Entry::do_king_safety(const Position& pos, Square ksq) {
273
274   kingSquares[Us] = ksq;
275   castlingRights[Us] = pos.can_castle(Us);
276   int minKingPawnDistance = 0;
277
278   Bitboard pawns = pos.pieces(Us, PAWN);
279   if (pawns)
280       while (!(DistanceRingBB[ksq][minKingPawnDistance++] & pawns)) {}
281
282   Value bonus = shelter_storm<Us>(pos, ksq);
283
284   // If we can castle use the bonus after the castling if it is bigger
285   if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, KING_SIDE>::right))
286       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_G1)));
287
288   if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, QUEEN_SIDE>::right))
289       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_C1)));
290
291   return make_score(bonus, -16 * minKingPawnDistance);
292 }
293
294 // Explicit template instantiation
295 template Score Entry::do_king_safety<WHITE>(const Position& pos, Square ksq);
296 template Score Entry::do_king_safety<BLACK>(const Position& pos, Square ksq);
297
298 } // namespace Pawns