Simplify pawns King Safety calculation
[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
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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 "bitcount.h"
26 #include "pawns.h"
27 #include "position.h"
28 #include "thread.h"
29
30 namespace {
31
32   #define V Value
33   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
34
35   // Isolated pawn penalty by opposed flag and file
36   const Score Isolated[2][FILE_NB] = {
37     { S(31, 36), S(45, 41), S(50, 41), S(50, 41),
38       S(50, 41), S(50, 41), S(45, 41), S(31, 36) },
39     { S(21, 24), S(30, 28), S(33, 28), S(33, 28),
40       S(33, 28), S(33, 28), S(30, 28), S(21, 24) } };
41
42   // Backward pawn penalty by opposed flag
43   const Score Backward[2] = { S(56, 33), S(41, 19) };
44
45   // Unsupported pawn penalty for pawns which are neither isolated or backward,
46   // by number of pawns it supports [less than 2 / exactly 2].
47   const Score Unsupported[2] = { S(17, 8), S(21, 12) };
48
49   // Connected pawn bonus by opposed, phalanx, twice supported and rank
50   Score Connected[2][2][2][RANK_NB];
51
52   // Doubled pawn penalty by file
53   const Score Doubled[FILE_NB] = {
54     S(11, 34), S(17, 38), S(19, 38), S(19, 38),
55     S(19, 38), S(19, 38), S(17, 38), S(11, 34) };
56
57   // Lever bonus by rank
58   const Score Lever[RANK_NB] = {
59     S( 0,  0), S( 0,  0), S(0, 0), S(0, 0),
60     S(17, 16), S(33, 32), S(0, 0), S(0, 0) };
61
62   // Weakness of our pawn shelter in front of the king by [distance from edge][rank]
63   const Value ShelterWeakness[][RANK_NB] = {
64     { V( 97), V(21), V(26), V(51), V(87), V( 89), V( 99) },
65     { V(120), V( 0), V(28), V(76), V(88), V(103), V(104) },
66     { V(101), V( 7), V(54), V(78), V(77), V( 92), V(101) },
67     { V( 80), V(11), V(44), V(68), V(87), V( 90), V(119) } };
68
69   // Danger of enemy pawns moving toward our king by [type][distance from edge][rank]
70   const Value StormDanger[][4][RANK_NB] = {
71     { { V( 0),  V(  67), V( 134), V(38), V(32) },
72       { V( 0),  V(  57), V( 139), V(37), V(22) },
73       { V( 0),  V(  43), V( 115), V(43), V(27) },
74       { V( 0),  V(  68), V( 124), V(57), V(32) } },
75     { { V(20),  V(  43), V( 100), V(56), V(20) },
76       { V(23),  V(  20), V(  98), V(40), V(15) },
77       { V(23),  V(  39), V( 103), V(36), V(18) },
78       { V(28),  V(  19), V( 108), V(42), V(26) } },
79     { { V( 0),  V(   0), V(  75), V(14), V( 2) },
80       { V( 0),  V(   0), V( 150), V(30), V( 4) },
81       { V( 0),  V(   0), V( 160), V(22), V( 5) },
82       { V( 0),  V(   0), V( 166), V(24), V(13) } },
83     { { V( 0),  V(-283), V(-281), V(57), V(31) },
84       { V( 0),  V(  58), V( 141), V(39), V(18) },
85       { V( 0),  V(  65), V( 142), V(48), V(32) },
86       { V( 0),  V(  60), V( 126), V(51), V(19) } } };
87
88   // Max bonus for king safety. Corresponds to start position with all the pawns
89   // in front of the king and no enemy pawn on the horizon.
90   const Value MaxSafetyBonus = V(258);
91
92   #undef S
93   #undef V
94
95   template<Color Us>
96   Score evaluate(const Position& pos, Pawns::Entry* e) {
97
98     const Color  Them  = (Us == WHITE ? BLACK    : WHITE);
99     const Square Up    = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
100     const Square Right = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
101     const Square Left  = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
102
103     Bitboard b, neighbours, doubled, supported, phalanx;
104     Square s;
105     bool passed, isolated, opposed, backward, lever, connected;
106     Score score = SCORE_ZERO;
107     const Square* pl = pos.squares<PAWN>(Us);
108     const Bitboard* pawnAttacksBB = StepAttacksBB[make_piece(Us, PAWN)];
109
110     Bitboard ourPawns   = pos.pieces(Us  , PAWN);
111     Bitboard theirPawns = pos.pieces(Them, PAWN);
112
113     e->passedPawns[Us] = e->pawnAttacksSpan[Us] = 0;
114     e->kingSquares[Us] = SQ_NONE;
115     e->semiopenFiles[Us] = 0xFF;
116     e->pawnAttacks[Us] = shift_bb<Right>(ourPawns) | shift_bb<Left>(ourPawns);
117     e->pawnsOnSquares[Us][BLACK] = popcount<Max15>(ourPawns & DarkSquares);
118     e->pawnsOnSquares[Us][WHITE] = pos.count<PAWN>(Us) - e->pawnsOnSquares[Us][BLACK];
119
120     // Loop through all pawns of the current color and score each pawn
121     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
122     {
123         assert(pos.piece_on(s) == make_piece(Us, PAWN));
124
125         File f = file_of(s);
126
127         e->semiopenFiles[Us] &= ~(1 << f);
128         e->pawnAttacksSpan[Us] |= pawn_attack_span(Us, s);
129
130         // Flag the pawn
131         neighbours  =   ourPawns   & adjacent_files_bb(f);
132         doubled     =   ourPawns   & forward_bb(Us, s);
133         opposed     =   theirPawns & forward_bb(Us, s);
134         passed      = !(theirPawns & passed_pawn_mask(Us, s));
135         lever       =   theirPawns & pawnAttacksBB[s];
136         phalanx     =   neighbours & rank_bb(s);
137         supported   =   neighbours & rank_bb(s - Up);
138         connected   =   supported | phalanx;
139         isolated    =  !neighbours;
140
141         // Test for backward pawn.
142         // If the pawn is passed, isolated, lever or connected it cannot be
143         // backward. If there are friendly pawns behind on adjacent files
144         // or if it is sufficiently advanced, it cannot be backward either.
145         if (   (passed | isolated | lever | connected)
146             || (ourPawns & pawn_attack_span(Them, s))
147             || (relative_rank(Us, s) >= RANK_5))
148             backward = false;
149         else
150         {
151             // We now know there are no friendly pawns beside or behind this
152             // pawn on adjacent files. We now check whether the pawn is
153             // backward by looking in the forward direction on the adjacent
154             // files, and picking the closest pawn there.
155             b = pawn_attack_span(Us, s) & (ourPawns | theirPawns);
156             b = pawn_attack_span(Us, s) & rank_bb(backmost_sq(Us, b));
157
158             // If we have an enemy pawn in the same or next rank, the pawn is
159             // backward because it cannot advance without being captured.
160             backward = (b | shift_bb<Up>(b)) & theirPawns;
161         }
162
163         assert(opposed | passed | (pawn_attack_span(Us, s) & theirPawns));
164
165         // Passed pawns will be properly scored in evaluation because we need
166         // full attack info to evaluate them. Only the frontmost passed
167         // pawn on each file is considered a true passed pawn.
168         if (passed && !doubled)
169             e->passedPawns[Us] |= s;
170
171         // Score this pawn
172         if (isolated)
173             score -= Isolated[opposed][f];
174
175         else if (backward)
176             score -= Backward[opposed];
177
178         else if (!supported)
179             score -= Unsupported[more_than_one(neighbours & rank_bb(s + Up))];
180
181         if (connected)
182             score += Connected[opposed][!!phalanx][more_than_one(supported)][relative_rank(Us, s)];
183
184         if (doubled)
185             score -= Doubled[f] / distance<Rank>(s, frontmost_sq(Us, doubled));
186
187         if (lever)
188             score += Lever[relative_rank(Us, s)];
189     }
190
191     b = e->semiopenFiles[Us] ^ 0xFF;
192     e->pawnSpan[Us] = b ? int(msb(b) - lsb(b)) : 0;
193
194     return score;
195   }
196
197 } // namespace
198
199 namespace Pawns {
200
201 /// Pawns::init() initializes some tables needed by evaluation. Instead of using
202 /// hard-coded tables, when makes sense, we prefer to calculate them with a formula
203 /// to reduce independent parameters and to allow easier tuning and better insight.
204
205 void init()
206 {
207   static const int Seed[RANK_NB] = { 0, 8, 19, 13, 71, 94, 169, 324 };
208
209   for (int opposed = 0; opposed <= 1; ++opposed)
210       for (int phalanx = 0; phalanx <= 1; ++phalanx)
211           for (int apex = 0; apex <= 1; ++apex)
212               for (Rank r = RANK_2; r < RANK_8; ++r)
213   {
214       int v = (Seed[r] + (phalanx ? (Seed[r + 1] - Seed[r]) / 2 : 0)) >> opposed;
215       v += (apex ? v / 2 : 0);
216       Connected[opposed][phalanx][apex][r] = make_score(v, v * 5 / 8);
217   }
218 }
219
220
221 /// Pawns::probe() looks up the current position's pawns configuration in
222 /// the pawns hash table. It returns a pointer to the Entry if the position
223 /// is found. Otherwise a new Entry is computed and stored there, so we don't
224 /// have to recompute all when the same pawns configuration occurs again.
225
226 Entry* probe(const Position& pos) {
227
228   Key key = pos.pawn_key();
229   Entry* e = pos.this_thread()->pawnsTable[key];
230
231   if (e->key == key)
232       return e;
233
234   e->key = key;
235   e->score = evaluate<WHITE>(pos, e) - evaluate<BLACK>(pos, e);
236   e->asymmetry = popcount<Max15>(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 adjacent 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 { NoFriendlyPawn, Unblocked, BlockedByPawn, BlockedByKing };
250
251   Bitboard b = pos.pieces(PAWN) & (in_front_bb(Us, rank_of(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 = center - File(1); f <= center + File(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       safety -=  ShelterWeakness[std::min(f, FILE_H - f)][rkUs]
266                + StormDanger
267                  [f == file_of(ksq) && rkThem == relative_rank(Us, ksq) + 1 ? BlockedByKing  :
268                   rkUs   == RANK_1                                          ? NoFriendlyPawn :
269                   rkThem == rkUs + 1                                        ? BlockedByPawn  : Unblocked]
270                  [std::min(f, FILE_H - f)][rkThem];
271   }
272
273   return safety;
274 }
275
276
277 /// Entry::do_king_safety() calculates a bonus for king safety. It is called only
278 /// when king square changes, which is about 20% of total king_safety() calls.
279
280 template<Color Us>
281 Score Entry::do_king_safety(const Position& pos, Square ksq) {
282
283   kingSquares[Us] = ksq;
284   castlingRights[Us] = pos.can_castle(Us);
285   int minKingPawnDistance = 0;
286
287   Bitboard pawns = pos.pieces(Us, PAWN);
288   if (pawns)
289       while (!(DistanceRingBB[ksq][minKingPawnDistance++] & pawns)) {}
290
291   Value bonus = shelter_storm<Us>(pos, ksq);
292
293   // If we can castle use the bonus after the castling if it is bigger
294   if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, KING_SIDE>::right))
295       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_G1)));
296
297   if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, QUEEN_SIDE>::right))
298       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_C1)));
299
300   return make_score(bonus, -16 * minKingPawnDistance);
301 }
302
303 // Explicit template instantiation
304 template Score Entry::do_king_safety<WHITE>(const Position& pos, Square ksq);
305 template Score Entry::do_king_safety<BLACK>(const Position& pos, Square ksq);
306
307 } // namespace Pawns