Further streamline connected 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) 2008-2014 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
28 namespace {
29
30   #define V Value
31   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
32
33   // Doubled pawn penalty by file
34   const Score Doubled[FILE_NB] = {
35     S(13, 43), S(20, 48), S(23, 48), S(23, 48),
36     S(23, 48), S(23, 48), S(20, 48), S(13, 43) };
37
38   // Isolated pawn penalty by opposed flag and file
39   const Score Isolated[2][FILE_NB] = {
40   { S(37, 45), S(54, 52), S(60, 52), S(60, 52),
41     S(60, 52), S(60, 52), S(54, 52), S(37, 45) },
42   { S(25, 30), S(36, 35), S(40, 35), S(40, 35),
43     S(40, 35), S(40, 35), S(36, 35), S(25, 30) } };
44
45   // Backward pawn penalty by opposed flag and file
46   const Score Backward[2][FILE_NB] = {
47   { S(30, 42), S(43, 46), S(49, 46), S(49, 46),
48     S(49, 46), S(49, 46), S(43, 46), S(30, 42) },
49   { S(20, 28), S(29, 31), S(33, 31), S(33, 31),
50     S(33, 31), S(33, 31), S(29, 31), S(20, 28) } };
51
52   // Connected pawn bonus by opposed, phalanx flags and rank
53   Score Connected[2][2][RANK_NB];
54
55   // Levers bonus by rank
56   const Score Lever[RANK_NB] = {
57     S( 0, 0), S( 0, 0), S(0, 0), S(0, 0),
58     S(20,20), S(40,40), S(0, 0), S(0, 0) };
59
60   // Bonus for file distance of the two outermost pawns
61   const Score PawnsFileSpan = S(0, 15);
62
63   // Unsupported pawn penalty
64   const Score UnsupportedPawnPenalty = S(20, 10);
65
66   // Weakness of our pawn shelter in front of the king indexed by [rank]
67   const Value ShelterWeakness[RANK_NB] =
68   { V(100), V(0), V(27), V(73), V(92), V(101), V(101) };
69
70   // Danger of enemy pawns moving toward our king indexed by
71   // [no friendly pawn | pawn unblocked | pawn blocked][rank of enemy pawn]
72   const Value StormDanger[][RANK_NB] = {
73   { V( 0),  V(64), V(128), V(51), V(26) },
74   { V(26),  V(32), V( 96), V(38), V(20) },
75   { V( 0),  V( 0), V(160), V(25), V(13) } };
76
77   // Max bonus for king safety. Corresponds to start position with all the pawns
78   // in front of the king and no enemy pawn on the horizon.
79   const Value MaxSafetyBonus = V(263);
80
81   #undef S
82   #undef V
83
84   template<Color Us>
85   Score evaluate(const Position& pos, Pawns::Entry* e) {
86
87     const Color  Them  = (Us == WHITE ? BLACK    : WHITE);
88     const Square Up    = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
89     const Square Right = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
90     const Square Left  = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
91
92     Bitboard b, p, doubled, connected;
93     Square s;
94     bool passed, isolated, opposed, phalanx, backward, unsupported, lever;
95     Score value = SCORE_ZERO;
96     const Square* pl = pos.list<PAWN>(Us);
97     const Bitboard* pawnAttacksBB = StepAttacksBB[make_piece(Us, PAWN)];
98
99     Bitboard ourPawns   = pos.pieces(Us  , PAWN);
100     Bitboard theirPawns = pos.pieces(Them, PAWN);
101
102     e->passedPawns[Us] = 0;
103     e->kingSquares[Us] = SQ_NONE;
104     e->semiopenFiles[Us] = 0xFF;
105     e->pawnAttacks[Us] = shift_bb<Right>(ourPawns) | shift_bb<Left>(ourPawns);
106     e->pawnsOnSquares[Us][BLACK] = popcount<Max15>(ourPawns & DarkSquares);
107     e->pawnsOnSquares[Us][WHITE] = pos.count<PAWN>(Us) - e->pawnsOnSquares[Us][BLACK];
108
109     // Loop through all pawns of the current color and score each pawn
110     while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
111     {
112         assert(pos.piece_on(s) == make_piece(Us, PAWN));
113
114         File f = file_of(s);
115
116         // This file cannot be semi-open
117         e->semiopenFiles[Us] &= ~(1 << f);
118
119         // Previous rank
120         p = rank_bb(s - pawn_push(Us));
121
122         // Flag the pawn as passed, isolated, doubled,
123         // unsupported or connected (but not the backward one).
124         connected   =   ourPawns   & adjacent_files_bb(f) & (rank_bb(s) | p);
125         phalanx     =   connected  & rank_bb(s);
126         unsupported = !(ourPawns   & adjacent_files_bb(f) & p);
127         isolated    = !(ourPawns   & adjacent_files_bb(f));
128         doubled     =   ourPawns   & forward_bb(Us, s);
129         opposed     =   theirPawns & forward_bb(Us, s);
130         passed      = !(theirPawns & passed_pawn_mask(Us, s));
131         lever       =   theirPawns & pawnAttacksBB[s];
132
133         // Test for backward pawn.
134         // If the pawn is passed, isolated, or connected it cannot be
135         // backward. If there are friendly pawns behind on adjacent files
136         // or if it can capture an enemy pawn it cannot be backward either.
137         if (   (passed | isolated | connected)
138             || (ourPawns & pawn_attack_span(Them, s))
139             || (pos.attacks_from<PAWN>(s, Us) & theirPawns))
140             backward = false;
141         else
142         {
143             // We now know that there are no friendly pawns beside or behind this
144             // pawn on adjacent files. We now check whether the pawn is
145             // backward by looking in the forward direction on the adjacent
146             // files, and picking the closest pawn there.
147             b = pawn_attack_span(Us, s) & (ourPawns | theirPawns);
148             b = pawn_attack_span(Us, s) & rank_bb(backmost_sq(Us, b));
149
150             // If we have an enemy pawn in the same or next rank, the pawn is
151             // backward because it cannot advance without being captured.
152             backward = (b | shift_bb<Up>(b)) & theirPawns;
153         }
154
155         assert(opposed | passed | (pawn_attack_span(Us, s) & theirPawns));
156
157         // Passed pawns will be properly scored in evaluation because we need
158         // full attack info to evaluate passed pawns. Only the frontmost passed
159         // pawn on each file is considered a true passed pawn.
160         if (passed && !doubled)
161             e->passedPawns[Us] |= s;
162
163         // Score this pawn
164         if (isolated)
165             value -= Isolated[opposed][f];
166
167         if (unsupported && !isolated)
168             value -= UnsupportedPawnPenalty;
169
170         if (doubled)
171             value -= Doubled[f] / rank_distance(s, lsb(doubled));
172
173         if (backward)
174             value -= Backward[opposed][f];
175
176         if (connected)
177             value += Connected[opposed][phalanx][relative_rank(Us, s)];
178
179         if (lever)
180             value += Lever[relative_rank(Us, s)];
181     }
182
183     b = e->semiopenFiles[Us] ^ 0xFF;
184     e->pawnSpan[Us] = b ? int(msb(b) - lsb(b)) : 0;
185
186     // In endgame it's better to have pawns on both wings. So give a bonus according
187     // to file distance between left and right outermost pawns.
188     value += PawnsFileSpan * e->pawnSpan[Us];
189
190     return value;
191   }
192
193 } // namespace
194
195 namespace Pawns {
196
197 void init()
198 {
199   const int c[RANK_NB] = {0, 6, 15, 10, 57, 75, 135, 258};
200
201   for (Rank r = RANK_2; r <= RANK_7; ++r)
202       for (int opposed = false; opposed <= true; ++opposed)
203           for (int phalanx = false; phalanx <= true; ++phalanx)
204           {
205               int bonus = c[r] + (phalanx ? (c[r + 1] - c[r]) / 2 : 0);
206               Connected[opposed][phalanx][r] = make_score(bonus / 2, bonus >> opposed);
207           }
208 }
209
210 /// probe() takes a position as input, computes a Entry object, and returns a
211 /// pointer to it. The result is also stored in a hash table, so we don't have
212 /// to recompute everything when the same pawn structure occurs again.
213
214 Entry* probe(const Position& pos, Table& entries) {
215
216   Key key = pos.pawn_key();
217   Entry* e = entries[key];
218
219   if (e->key == key)
220       return e;
221
222   e->key = key;
223   e->value = evaluate<WHITE>(pos, e) - evaluate<BLACK>(pos, e);
224   return e;
225 }
226
227
228 /// Entry::shelter_storm() calculates shelter and storm penalties for the file
229 /// the king is on, as well as the two adjacent files.
230
231 template<Color Us>
232 Value Entry::shelter_storm(const Position& pos, Square ksq) {
233
234   const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
235   const Bitboard Edges = (FileABB | FileHBB) & (Rank2BB | Rank3BB);
236
237   Bitboard b = pos.pieces(PAWN) & (in_front_bb(Us, rank_of(ksq)) | rank_bb(ksq));
238   Bitboard ourPawns = b & pos.pieces(Us);
239   Bitboard theirPawns = b & pos.pieces(Them);
240   Value safety = MaxSafetyBonus;
241   File kf = std::max(FILE_B, std::min(FILE_G, file_of(ksq)));
242
243   for (File f = kf - File(1); f <= kf + File(1); ++f)
244   {
245       b = ourPawns & file_bb(f);
246       Rank rkUs = b ? relative_rank(Us, backmost_sq(Us, b)) : RANK_1;
247
248       b  = theirPawns & file_bb(f);
249       Rank rkThem = b ? relative_rank(Us, frontmost_sq(Them, b)) : RANK_1;
250
251       if (   (Edges & make_square(f, rkThem))
252           && file_of(ksq) == f
253           && relative_rank(Us, ksq) == rkThem - 1)
254           safety += 200;
255       else
256           safety -=  ShelterWeakness[rkUs]
257                    + StormDanger[rkUs   == RANK_1   ? 0 :
258                                  rkThem != rkUs + 1 ? 1 : 2][rkThem];
259   }
260
261   return safety;
262 }
263
264
265 /// Entry::do_king_safety() calculates a bonus for king safety. It is called only
266 /// when king square changes, which is about 20% of total king_safety() calls.
267
268 template<Color Us>
269 Score Entry::do_king_safety(const Position& pos, Square ksq) {
270
271   kingSquares[Us] = ksq;
272   castlingRights[Us] = pos.can_castle(Us);
273   minKPdistance[Us] = 0;
274
275   Bitboard pawns = pos.pieces(Us, PAWN);
276   if (pawns)
277       while (!(DistanceRingsBB[ksq][minKPdistance[Us]++] & pawns)) {}
278
279   if (relative_rank(Us, ksq) > RANK_4)
280       return make_score(0, -16 * minKPdistance[Us]);
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 * minKPdistance[Us]);
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