Introduce scale factor in pawn evaluation
[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) 2008-2010 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
21 ////
22 //// Includes
23 ////
24
25 #include <cassert>
26 #include <cstring>
27
28 #include "bitcount.h"
29 #include "pawns.h"
30 #include "position.h"
31
32
33 ////
34 //// Local definitions
35 ////
36
37 namespace {
38
39   /// Constants and variables
40
41   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
42
43   // Doubled pawn penalty by file
44   const Score DoubledPawnPenalty[8] = {
45     S(13, 43), S(20, 48), S(23, 48), S(23, 48),
46     S(23, 48), S(23, 48), S(20, 48), S(13, 43)
47   };
48
49   // Isolated pawn penalty by file
50   const Score IsolatedPawnPenalty[8] = {
51     S(25, 30), S(36, 35), S(40, 35), S(40, 35),
52     S(40, 35), S(40, 35), S(36, 35), S(25, 30)
53   };
54
55   // Backward pawn penalty by file
56   const Score BackwardPawnPenalty[8] = {
57     S(20, 28), S(29, 31), S(33, 31), S(33, 31),
58     S(33, 31), S(33, 31), S(29, 31), S(20, 28)
59   };
60
61   // Pawn chain membership bonus by file
62   const Score ChainBonus[8] = {
63     S(11,-1), S(13,-1), S(13,-1), S(14,-1),
64     S(14,-1), S(13,-1), S(13,-1), S(11,-1)
65   };
66
67   // Candidate passed pawn bonus by rank
68   const Score CandidateBonus[8] = {
69     S( 0, 0), S( 6, 13), S(6,13), S(14,29),
70     S(34,68), S(83,166), S(0, 0), S( 0, 0)
71   };
72
73   // UnpairedPawnsTable[] gives a score according to the number
74   // of panws that do not have an enemy pawn in front of them.
75   const int UnpairedPawnsTable[8] = {
76     SCALE_FACTOR_NORMAL, SCALE_FACTOR_NORMAL, SCALE_FACTOR_NORMAL, SCALE_FACTOR_NORMAL,
77     SCALE_FACTOR_NORMAL, SCALE_FACTOR_NORMAL, SCALE_FACTOR_NORMAL, SCALE_FACTOR_NORMAL
78   };
79
80   // Pawn storm tables for positions with opposite castling
81   const int QStormTable[64] = {
82     0,  0,  0,  0, 0, 0, 0, 0,
83   -22,-22,-22,-14,-6, 0, 0, 0,
84    -6,-10,-10,-10,-6, 0, 0, 0,
85     4, 12, 16, 12, 4, 0, 0, 0,
86    16, 23, 23, 16, 0, 0, 0, 0,
87    23, 31, 31, 23, 0, 0, 0, 0,
88    23, 31, 31, 23, 0, 0, 0, 0,
89     0,  0,  0,  0, 0, 0, 0, 0
90   };
91
92   const int KStormTable[64] = {
93     0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  0,
94     0, 0, 0,-10,-19,-28,-33,-33,
95     0, 0, 0,-10,-15,-19,-24,-24,
96     0, 0, 0,  0,  1,  1,  1,  1,
97     0, 0, 0,  0,  1, 10, 19, 19,
98     0, 0, 0,  0,  1, 19, 31, 27,
99     0, 0, 0,  0,  0, 22, 31, 22,
100     0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  0
101   };
102
103   // Pawn storm open file bonuses by file
104   const int16_t KStormOpenFileBonus[8] = { 31, 31, 18, 0, 0, 0, 0, 0 };
105   const int16_t QStormOpenFileBonus[8] = { 0, 0, 0, 0, 0, 26, 42, 26 };
106
107   // Pawn storm lever bonuses by file
108   const int StormLeverBonus[8] = { -8, -8, -13, 0, 0, -13, -8, -8 };
109
110 }
111
112
113 ////
114 //// Functions
115 ////
116
117 /// Constructor
118
119 PawnInfoTable::PawnInfoTable(unsigned numOfEntries) {
120
121   size = numOfEntries;
122   entries = new PawnInfo[size];
123   if (!entries)
124   {
125       std::cerr << "Failed to allocate " << (numOfEntries * sizeof(PawnInfo))
126                 << " bytes for pawn hash table." << std::endl;
127       Application::exit_with_failure();
128   }
129 }
130
131
132 /// Destructor
133
134 PawnInfoTable::~PawnInfoTable() {
135   delete [] entries;
136 }
137
138
139 /// PawnInfo::clear() resets to zero the PawnInfo entry. Note that
140 /// kingSquares[] is initialized to SQ_NONE instead.
141
142 void PawnInfo::clear() {
143
144   memset(this, 0, sizeof(PawnInfo));
145   kingSquares[WHITE] = kingSquares[BLACK] = SQ_NONE;
146 }
147
148
149 /// PawnInfoTable::get_pawn_info() takes a position object as input, computes
150 /// a PawnInfo object, and returns a pointer to it.  The result is also
151 /// stored in a hash table, so we don't have to recompute everything when
152 /// the same pawn structure occurs again.
153
154 PawnInfo* PawnInfoTable::get_pawn_info(const Position& pos) {
155
156   assert(pos.is_ok());
157
158   Key key = pos.get_pawn_key();
159   int index = int(key & (size - 1));
160   PawnInfo* pi = entries + index;
161
162   // If pi->key matches the position's pawn hash key, it means that we
163   // have analysed this pawn structure before, and we can simply return
164   // the information we found the last time instead of recomputing it.
165   if (pi->key == key)
166       return pi;
167
168   // Clear the PawnInfo object, and set the key
169   pi->clear();
170   pi->key = key;
171
172   // Calculate pawn attacks
173   Bitboard whitePawns = pos.pieces(PAWN, WHITE);
174   Bitboard blackPawns = pos.pieces(PAWN, BLACK);
175   pi->pawnAttacks[WHITE] = ((whitePawns << 9) & ~FileABB) | ((whitePawns << 7) & ~FileHBB);
176   pi->pawnAttacks[BLACK] = ((blackPawns >> 7) & ~FileABB) | ((blackPawns >> 9) & ~FileHBB);
177
178   // Evaluate pawns for both colors
179   pi->value =  evaluate_pawns<WHITE>(pos, whitePawns, blackPawns, pi)
180              - evaluate_pawns<BLACK>(pos, blackPawns, whitePawns, pi);
181   return pi;
182 }
183
184
185 /// PawnInfoTable::evaluate_pawns() evaluates each pawn of the given color
186
187 template<Color Us>
188 Score PawnInfoTable::evaluate_pawns(const Position& pos, Bitboard ourPawns,
189                                     Bitboard theirPawns, PawnInfo* pi) {
190   Square s;
191   File f;
192   Rank r;
193   bool passed, isolated, doubled, opposed, chain, backward, candidate;
194   int bonus;
195   Score value = make_score(0, 0);
196   const Square* ptr = pos.piece_list_begin(Us, PAWN);
197   int unpairedPawnsNum = pos.piece_count(Us, PAWN);
198
199   // Initialize pawn storm scores by giving bonuses for open files
200   for (f = FILE_A; f <= FILE_H; f++)
201       if (!(ourPawns & file_bb(f)))
202       {
203           pi->ksStormValue[Us] += KStormOpenFileBonus[f];
204           pi->qsStormValue[Us] += QStormOpenFileBonus[f];
205           pi->halfOpenFiles[Us] |= (1 << f);
206       }
207
208   // Loop through all pawns of the current color and score each pawn
209   while ((s = *ptr++) != SQ_NONE)
210   {
211       f = square_file(s);
212       r = square_rank(s);
213
214       assert(pos.piece_on(s) == piece_of_color_and_type(Us, PAWN));
215
216       // Passed, isolated or doubled pawn?
217       passed   = !(theirPawns & passed_pawn_mask(Us, s));
218       isolated = !(ourPawns & neighboring_files_bb(s));
219       doubled  = ourPawns & squares_behind(Us, s);
220       opposed  = theirPawns & squares_in_front_of(Us, s);
221
222       // Decrease number of unpaired pawns
223       if (opposed)
224           unpairedPawnsNum--;
225
226       // We calculate kingside and queenside pawn storm
227       // scores for both colors. These are used when evaluating
228       // middle game positions with opposite side castling.
229       //
230       // Each pawn is given a base score given by a piece square table
231       // (KStormTable[] or QStormTable[]). Pawns which seem to have good
232       // chances of creating an open file by exchanging itself against an
233       // enemy pawn on an adjacent file gets an additional bonus.
234
235       // Kingside pawn storms
236       bonus = KStormTable[relative_square(Us, s)];
237       if (f >= FILE_F)
238       {
239           Bitboard b = outpost_mask(Us, s) & theirPawns & (FileFBB | FileGBB | FileHBB);
240           while (b)
241           {
242               // Give a bonus according to the distance of the nearest enemy pawn
243               Square s2 = pop_1st_bit(&b);
244               int v = StormLeverBonus[f] - 2 * square_distance(s, s2);
245
246               // If enemy pawn has no pawn beside itself is particularly vulnerable.
247               // Big bonus, especially against a weakness on the rook file
248               if (!(theirPawns & neighboring_files_bb(s2) & rank_bb(s2)))
249                   v *= (square_file(s2) == FILE_H ? 4 : 2);
250
251               bonus += v;
252           }
253       }
254       pi->ksStormValue[Us] += bonus;
255
256       // Queenside pawn storms
257       bonus = QStormTable[relative_square(Us, s)];
258       if (f <= FILE_C)
259       {
260           Bitboard b = outpost_mask(Us, s) & theirPawns & (FileABB | FileBBB | FileCBB);
261           while (b)
262           {
263               // Give a bonus according to the distance of the nearest enemy pawn
264               Square s2 = pop_1st_bit(&b);
265               int v = StormLeverBonus[f] - 4 * square_distance(s, s2);
266
267               // If enemy pawn has no pawn beside itself is particularly vulnerable.
268               // Big bonus, especially against a weakness on the rook file
269               if (!(theirPawns & neighboring_files_bb(s2) & rank_bb(s2)))
270                   v *= (square_file(s2) == FILE_A ? 4 : 2);
271
272               bonus += v;
273           }
274       }
275       pi->qsStormValue[Us] += bonus;
276
277       // Member of a pawn chain (but not the backward one)? We could speed up
278       // the test a little by introducing an array of masks indexed by color
279       // and square for doing the test, but because everything is hashed,
280       // it probably won't make any noticable difference.
281       chain =  ourPawns
282              & neighboring_files_bb(f)
283              & (rank_bb(r) | rank_bb(r - (Us == WHITE ? 1 : -1)));
284
285       // Test for backward pawn
286       //
287       // If the pawn is passed, isolated, or member of a pawn chain
288       // it cannot be backward. If can capture an enemy pawn or if
289       // there are friendly pawns behind on neighboring files it cannot
290       // be backward either.
291       if (   (passed | isolated | chain)
292           || (ourPawns & behind_bb(Us, r) & neighboring_files_bb(f))
293           || (pos.attacks_from<PAWN>(s, Us) & theirPawns))
294           backward = false;
295       else
296       {
297           // We now know that there are no friendly pawns beside or behind this
298           // pawn on neighboring files. We now check whether the pawn is
299           // backward by looking in the forward direction on the neighboring
300           // files, and seeing whether we meet a friendly or an enemy pawn first.
301           Bitboard b = pos.attacks_from<PAWN>(s, Us);
302
303           // Note that we are sure to find something because pawn is not passed
304           // nor isolated, so loop is potentially infinite, but it isn't.
305           while (!(b & (ourPawns | theirPawns)))
306               Us == WHITE ? b <<= 8 : b >>= 8;
307
308           // The friendly pawn needs to be at least two ranks closer than the enemy
309           // pawn in order to help the potentially backward pawn advance.
310           backward = (b | (Us == WHITE ? b << 8 : b >> 8)) & theirPawns;
311       }
312
313       // Test for candidate passed pawn
314       candidate =   !passed
315                  && !opposed
316                  && (  count_1s_max_15(neighboring_files_bb(f) & (behind_bb(Us, r) | rank_bb(r)) & ourPawns)
317                      - count_1s_max_15(neighboring_files_bb(f) & in_front_bb(Us, r)              & theirPawns)
318                      >= 0);
319
320       // In order to prevent doubled passed pawns from receiving a too big
321       // bonus, only the frontmost passed pawn on each file is considered as
322       // a true passed pawn.
323       if (passed && (ourPawns & squares_in_front_of(Us, s)))
324           passed = false;
325
326       // Score this pawn
327       if (passed)
328           set_bit(&(pi->passedPawns), s);
329
330       if (isolated)
331       {
332           value -= IsolatedPawnPenalty[f];
333           if (!(theirPawns & file_bb(f)))
334               value -= IsolatedPawnPenalty[f] / 2;
335       }
336       if (doubled)
337           value -= DoubledPawnPenalty[f];
338
339       if (backward)
340       {
341           value -= BackwardPawnPenalty[f];
342           if (!(theirPawns & file_bb(f)))
343               value -= BackwardPawnPenalty[f] / 2;
344       }
345       if (chain)
346           value += ChainBonus[f];
347
348       if (candidate)
349           value += CandidateBonus[relative_rank(Us, s)];
350   }
351
352   // Calculate a scale factor to be used to evaluate if position is drawish
353   pi->factor[Us] = UnpairedPawnsTable[unpairedPawnsNum];
354
355   return value;
356 }
357
358
359 /// PawnInfo::updateShelter calculates and caches king shelter. It is called
360 /// only when king square changes, about 20% of total get_king_shelter() calls.
361 int PawnInfo::updateShelter(const Position& pos, Color c, Square ksq) {
362
363   unsigned shelter = 0;
364   Bitboard pawns = pos.pieces(PAWN, c) & this_and_neighboring_files_bb(ksq);
365   unsigned r = ksq & (7 << 3);
366   for (int i = 1, k = (c ? -8 : 8); i < 4; i++)
367   {
368       r += k;
369       shelter += BitCount8Bit[(pawns >> r) & 0xFF] * (128 >> i);
370   }
371   kingSquares[c] = ksq;
372   kingShelters[c] = shelter;
373   return shelter;
374 }