Apex Pawns
[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
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 <algorithm>
21 #include <cassert>
22
23 #include "bitboard.h"
24 #include "bitcount.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   // Doubled pawn penalty by file
35   const Score Doubled[FILE_NB] = {
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 Isolated[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 Backward[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   // Connected pawn bonus by opposed, phalanx flags and rank
54   Score Connected[2][2][RANK_NB];
55
56   // Levers bonus by rank
57   const Score Lever[RANK_NB] = {
58     S( 0, 0), S( 0, 0), S(0, 0), S(0, 0),
59     S(20,20), S(40,40), S(0, 0), S(0, 0) };
60
61   // Unsupported pawn penalty
62   const Score UnsupportedPawnPenalty = S(20, 10);
63
64   // Center bind bonus: Two pawns controlling the same central square
65   const Bitboard CenterBindMask[COLOR_NB] = {
66     (FileDBB | FileEBB) & (Rank5BB | Rank6BB | Rank7BB),
67     (FileDBB | FileEBB) & (Rank4BB | Rank3BB | Rank2BB)
68   };
69
70   const Score CenterBind = S(16, 0);
71
72   // Weakness of our pawn shelter in front of the king by [distance from edge][rank]
73   const Value ShelterWeakness[][RANK_NB] = {
74   { V( 99), V(20), V(26), V(54), V(85), V( 92), V(108) },
75   { V(117), V( 1), V(27), V(71), V(94), V(104), V(118) },
76   { V(104), V( 4), V(51), V(76), V(82), V(102), V( 97) },
77   { V( 80), V(12), V(43), V(65), V(88), V( 91), V(115) } };
78
79   // Danger of enemy pawns moving toward our king by [type][distance from edge][rank]
80   const Value StormDanger[][4][RANK_NB] = {
81   { { V( 0),  V(  65), V( 126), V(36), V(30) },
82     { V( 0),  V(  55), V( 135), V(36), V(23) },
83     { V( 0),  V(  47), V( 116), V(45), V(26) },
84     { V( 0),  V(  62), V( 127), V(57), V(34) } },
85   { { V(21),  V(  45), V(  93), V(50), V(19) },
86     { V(23),  V(  24), V( 105), V(41), V(13) },
87     { V(23),  V(  36), V( 101), V(38), V(20) },
88     { V(30),  V(  19), V( 110), V(41), V(27) } },
89   { { V( 0),  V(   0), V(  81), V(14), V( 4) },
90     { V( 0),  V(   0), V( 169), V(30), V( 3) },
91     { V( 0),  V(   0), V( 168), V(24), V( 5) },
92     { V( 0),  V(   0), V( 162), V(26), V(10) } },
93   { { V( 0),  V(-283), V(-298), V(57), V(29) },
94     { V( 0),  V(  63), V( 137), V(42), V(18) },
95     { V( 0),  V(  67), V( 145), V(49), V(33) },
96     { V( 0),  V(  62), V( 126), V(53), V(21) } } };
97
98   // Max bonus for king safety. Corresponds to start position with all the pawns
99   // in front of the king and no enemy pawn on the horizon.
100   const Value MaxSafetyBonus = V(258);
101
102   #undef S
103   #undef V
104
105   template<Color Us>
106   Score evaluate(const Position& pos, Pawns::Entry* e) {
107
108     const Color  Them  = (Us == WHITE ? BLACK    : WHITE);
109     const Square Up    = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
110     const Square Right = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
111     const Square Left  = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
112
113     Bitboard b, p, doubled, connected, supported;
114     Square s;
115     bool passed, isolated, opposed, phalanx, backward, lever;
116     Score score = SCORE_ZERO;
117     const Square* pl = pos.list<PAWN>(Us);
118     const Bitboard* pawnAttacksBB = StepAttacksBB[make_piece(Us, PAWN)];
119
120     Bitboard ourPawns   = pos.pieces(Us  , PAWN);
121     Bitboard theirPawns = pos.pieces(Them, PAWN);
122
123     e->passedPawns[Us] = 0;
124     e->kingSquares[Us] = SQ_NONE;
125     e->semiopenFiles[Us] = 0xFF;
126     e->pawnAttacks[Us] = shift_bb<Right>(ourPawns) | shift_bb<Left>(ourPawns);
127     e->pawnsOnSquares[Us][BLACK] = popcount<Max15>(ourPawns & DarkSquares);
128     e->pawnsOnSquares[Us][WHITE] = pos.count<PAWN>(Us) - e->pawnsOnSquares[Us][BLACK];
129
130     // Loop through all pawns of the current color and score each pawn
131     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
132     {
133         assert(pos.piece_on(s) == make_piece(Us, PAWN));
134
135         File f = file_of(s);
136
137         // This file cannot be semi-open
138         e->semiopenFiles[Us] &= ~(1 << f);
139
140         // Previous rank
141         p = rank_bb(s - Up);
142
143         // Flag the pawn
144         connected   =   ourPawns   & adjacent_files_bb(f) & (rank_bb(s) | p);
145         phalanx     =   connected  & rank_bb(s);
146         supported   =   connected  & p;
147         isolated    = !(ourPawns   & adjacent_files_bb(f));
148         doubled     =   ourPawns   & forward_bb(Us, s);
149         opposed     =   theirPawns & forward_bb(Us, s);
150         passed      = !(theirPawns & passed_pawn_mask(Us, s));
151         lever       =   theirPawns & pawnAttacksBB[s];
152
153         // Test for backward pawn.
154         // If the pawn is passed, isolated, connected or a lever it cannot be
155         // backward. If there are friendly pawns behind on adjacent files
156         // it cannot be backward either.
157         if (   (passed | isolated | lever | connected)
158             || (ourPawns & pawn_attack_span(Them, s)))
159             backward = false;
160         else
161         {
162             // We now know there are no friendly pawns beside or behind this
163             // pawn on adjacent files. We now check whether the pawn is
164             // backward by looking in the forward direction on the adjacent
165             // files, and picking the closest pawn there.
166             b = pawn_attack_span(Us, s) & (ourPawns | theirPawns);
167             b = pawn_attack_span(Us, s) & rank_bb(backmost_sq(Us, b));
168
169             // If we have an enemy pawn in the same or next rank, the pawn is
170             // backward because it cannot advance without being captured.
171             backward = (b | shift_bb<Up>(b)) & theirPawns;
172         }
173
174         assert(opposed | passed | (pawn_attack_span(Us, s) & theirPawns));
175
176         // Passed pawns will be properly scored in evaluation because we need
177         // full attack info to evaluate passed pawns. Only the frontmost passed
178         // pawn on each file is considered a true passed pawn.
179         if (passed && !doubled)
180             e->passedPawns[Us] |= s;
181
182         // Score this pawn
183         if (isolated)
184             score -= Isolated[opposed][f];
185
186         if (!supported && !isolated)
187             score -= UnsupportedPawnPenalty;
188
189         if (doubled)
190             score -= Doubled[f] / distance<Rank>(s, frontmost_sq(Us, doubled));
191
192         if (backward)
193             score -= Backward[opposed][f];
194
195         if (connected) {
196             score += Connected[opposed][phalanx][relative_rank(Us, s)];
197             if (more_than_one(supported)) {
198                 //apex bonus: pawn on s is supported twice
199                 score += Connected[opposed][phalanx][relative_rank(Us, s)] / 2;
200             }
201         }
202
203         if (lever)
204             score += Lever[relative_rank(Us, s)];
205     }
206
207     b = e->semiopenFiles[Us] ^ 0xFF;
208     e->pawnSpan[Us] = b ? int(msb(b) - lsb(b)) : 0;
209
210     // Center binds: Two pawns controlling the same central square
211     b = shift_bb<Right>(ourPawns) & shift_bb<Left>(ourPawns) & CenterBindMask[Us];
212     score += popcount<Max15>(b) * CenterBind;
213
214     return score;
215   }
216
217 } // namespace
218
219 namespace Pawns {
220
221 /// Pawns::init() initializes some tables needed by evaluation. Instead of using
222 /// hard-coded tables, when makes sense, we prefer to calculate them with a formula
223 /// to reduce independent parameters and to allow easier tuning and better insight.
224
225 void init()
226 {
227   static const int Seed[RANK_NB] = { 0, 6, 15, 10, 57, 75, 135, 258 };
228
229   for (int opposed = 0; opposed <= 1; ++opposed)
230       for (int phalanx = 0; phalanx <= 1; ++phalanx)
231           for (Rank r = RANK_2; r < RANK_8; ++r)
232           {
233               int bonus = Seed[r] + (phalanx ? (Seed[r + 1] - Seed[r]) / 2 : 0);
234               bonus >>= opposed;
235               Connected[opposed][phalanx][r] = make_score( 3 * bonus / 2, bonus);
236           }
237 }
238
239
240 /// Pawns::probe() looks up the current position's pawns configuration in
241 /// the pawns hash table. It returns a pointer to the Entry if the position
242 /// is found. Otherwise a new Entry is computed and stored there, so we don't
243 /// have to recompute all when the same pawns configuration occurs again.
244
245 Entry* probe(const Position& pos) {
246
247   Key key = pos.pawn_key();
248   Entry* e = pos.this_thread()->pawnsTable[key];
249
250   if (e->key == key)
251       return e;
252
253   e->key = key;
254   e->score = evaluate<WHITE>(pos, e) - evaluate<BLACK>(pos, e);
255   return e;
256 }
257
258
259 /// Entry::shelter_storm() calculates shelter and storm penalties for the file
260 /// the king is on, as well as the two adjacent files.
261
262 template<Color Us>
263 Value Entry::shelter_storm(const Position& pos, Square ksq) {
264
265   const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
266
267   enum { NoFriendlyPawn, Unblocked, BlockedByPawn, BlockedByKing };
268
269   Bitboard b = pos.pieces(PAWN) & (in_front_bb(Us, rank_of(ksq)) | rank_bb(ksq));
270   Bitboard ourPawns = b & pos.pieces(Us);
271   Bitboard theirPawns = b & pos.pieces(Them);
272   Value safety = MaxSafetyBonus;
273   File center = std::max(FILE_B, std::min(FILE_G, file_of(ksq)));
274
275   for (File f = center - File(1); f <= center + File(1); ++f)
276   {
277       b = ourPawns & file_bb(f);
278       Rank rkUs = b ? relative_rank(Us, backmost_sq(Us, b)) : RANK_1;
279
280       b  = theirPawns & file_bb(f);
281       Rank rkThem = b ? relative_rank(Us, frontmost_sq(Them, b)) : RANK_1;
282
283       safety -=  ShelterWeakness[std::min(f, FILE_H - f)][rkUs]
284                + StormDanger
285                  [f == file_of(ksq) && rkThem == relative_rank(Us, ksq) + 1 ? BlockedByKing  :
286                   rkUs   == RANK_1                                          ? NoFriendlyPawn :
287                   rkThem == rkUs + 1                                        ? BlockedByPawn  : Unblocked]
288                  [std::min(f, FILE_H - f)][rkThem];
289   }
290
291   return safety;
292 }
293
294
295 /// Entry::do_king_safety() calculates a bonus for king safety. It is called only
296 /// when king square changes, which is about 20% of total king_safety() calls.
297
298 template<Color Us>
299 Score Entry::do_king_safety(const Position& pos, Square ksq) {
300
301   kingSquares[Us] = ksq;
302   castlingRights[Us] = pos.can_castle(Us);
303   minKingPawnDistance[Us] = 0;
304
305   Bitboard pawns = pos.pieces(Us, PAWN);
306   if (pawns)
307       while (!(DistanceRingBB[ksq][minKingPawnDistance[Us]++] & pawns)) {}
308
309   if (relative_rank(Us, ksq) > RANK_4)
310       return make_score(0, -16 * minKingPawnDistance[Us]);
311
312   Value bonus = shelter_storm<Us>(pos, ksq);
313
314   // If we can castle use the bonus after the castling if it is bigger
315   if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, KING_SIDE>::right))
316       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_G1)));
317
318   if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, QUEEN_SIDE>::right))
319       bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_C1)));
320
321   return make_score(bonus, -16 * minKingPawnDistance[Us]);
322 }
323
324 // Explicit template instantiation
325 template Score Entry::do_king_safety<WHITE>(const Position& pos, Square ksq);
326 template Score Entry::do_king_safety<BLACK>(const Position& pos, Square ksq);
327
328 } // namespace Pawns