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Add penalty for doubled pawns in agile structure
[stockfish] / src / pawns.cpp
index 448c1191f25f4c92a206fd4d8826c92052cf4fff..5d6770ed76eafb88bcd871a790f45c289a0b1e0a 100644 (file)
@@ -1,8 +1,6 @@
 /*
   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
-  Copyright (C) 2004-2008 Tord Romstad (Glaurung author)
-  Copyright (C) 2008-2015 Marco Costalba, Joona Kiiski, Tord Romstad
-  Copyright (C) 2015-2018 Marco Costalba, Joona Kiiski, Gary Linscott, Tord Romstad
+  Copyright (C) 2004-2021 The Stockfish developers (see AUTHORS file)
 
   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
   it under the terms of the GNU General Public License as published by
@@ -31,123 +29,166 @@ namespace {
   #define V Value
   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
 
-  // Isolated pawn penalty
-  constexpr Score Isolated = S(13, 16);
+  // Pawn penalties
+  constexpr Score Backward      = S( 6, 23);
+  constexpr Score Doubled       = S(13, 53);
+  constexpr Score DoubledEarly  = S(20, 10);
+  constexpr Score Isolated      = S( 2, 15);
+  constexpr Score WeakLever     = S( 5, 57);
+  constexpr Score WeakUnopposed = S(16, 22);
 
-  // Backward pawn penalty
-  constexpr Score Backward = S(17, 11);
+  // Bonus for blocked pawns at 5th or 6th rank
+  constexpr Score BlockedPawn[2] = { S(-15, -3), S(-6, 3) };
 
-  // Connected pawn bonus by opposed, phalanx, #support and rank
-  Score Connected[2][2][3][RANK_NB];
+  constexpr Score BlockedStorm[RANK_NB] = {
+    S(0, 0), S(0, 0), S(75, 78), S(-8, 16), S(-6, 10), S(-6, 6), S(0, 2)
+  };
 
-  // Doubled pawn penalty
-  constexpr Score Doubled = S(13, 40);
+  // Connected pawn bonus
+  constexpr int Connected[RANK_NB] = { 0, 5, 7, 11, 24, 48, 86 };
 
   // Strength of pawn shelter for our king by [distance from edge][rank].
   // RANK_1 = 0 is used for files where we have no pawn, or pawn is behind our king.
   constexpr Value ShelterStrength[int(FILE_NB) / 2][RANK_NB] = {
-    { V(  7), V(76), V( 84), V( 38), V(  7), V( 30), V(-19) },
-    { V(-13), V(83), V( 42), V(-27), V(  2), V(-32), V(-45) },
-    { V(-26), V(63), V(  5), V(-44), V( -5), V(  2), V(-59) },
-    { V(-19), V(53), V(-11), V(-22), V(-12), V(-51), V(-60) }
+    { V( -5), V( 82), V( 92), V( 54), V( 36), V( 22), V(  28) },
+    { V(-44), V( 63), V( 33), V(-50), V(-30), V(-12), V( -62) },
+    { V(-11), V( 77), V( 22), V( -6), V( 31), V(  8), V( -45) },
+    { V(-39), V(-12), V(-29), V(-50), V(-43), V(-68), V(-164) }
   };
 
   // Danger of enemy pawns moving toward our king by [distance from edge][rank].
-  // RANK_1 = 0 is used for files where the enemy has no pawn, or their pawn 
-  // is behind our king.
+  // RANK_1 = 0 is used for files where the enemy has no pawn, or their pawn
+  // is behind our king. Note that UnblockedStorm[0][1-2] accommodate opponent pawn
+  // on edge, likely blocked by our king.
   constexpr Value UnblockedStorm[int(FILE_NB) / 2][RANK_NB] = {
-    { V( 25), V( 79), V(107), V( 51), V( 27), V(  0), V(  0) },
-    { V(  5), V( 35), V(121), V( -2), V( 15), V(-10), V(-10) },
-    { V(-20), V( 22), V( 98), V( 36), V(  7), V(-20), V(-20) },
-    { V(-27), V( 24), V( 80), V( 25), V( -4), V(-30), V(-30) }
+    { V( 87), V(-288), V(-168), V( 96), V( 47), V( 44), V( 46) },
+    { V( 42), V( -25), V( 120), V( 45), V( 34), V( -9), V( 24) },
+    { V( -8), V(  51), V( 167), V( 35), V( -4), V(-16), V(-12) },
+    { V(-17), V( -13), V( 100), V(  4), V(  9), V(-16), V(-31) }
   };
 
-  // Danger of blocked enemy pawns storming our king, by rank
-  constexpr Value BlockedStorm[RANK_NB] =
-    { V(  0), V(  0), V( 75), V(-10), V(-20), V(-20), V(-20) };
+
+  // KingOnFile[semi-open Us][semi-open Them] contains bonuses/penalties
+  // for king when the king is on a semi-open or open file.
+  constexpr Score KingOnFile[2][2] = {{ S(-21,10), S(-7, 1)  },
+                                     {  S(  0,-3), S( 9,-4) }};
 
   #undef S
   #undef V
 
+
+  /// evaluate() calculates a score for the static pawn structure of the given position.
+  /// We cannot use the location of pieces or king in this function, as the evaluation
+  /// of the pawn structure will be stored in a small cache for speed reasons, and will
+  /// be re-used even when the pieces have moved.
+
   template<Color Us>
   Score evaluate(const Position& pos, Pawns::Entry* e) {
 
-    constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
-    constexpr Direction Up   = (Us == WHITE ? NORTH : SOUTH);
+    constexpr Color     Them = ~Us;
+    constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
+    constexpr Direction Down = -Up;
 
-    Bitboard b, neighbours, stoppers, doubled, supported, phalanx;
-    Bitboard lever, leverPush;
+    Bitboard neighbours, stoppers, support, phalanx, opposed;
+    Bitboard lever, leverPush, blocked;
     Square s;
-    bool opposed, backward;
+    bool backward, passed, doubled;
     Score score = SCORE_ZERO;
-    const Square* pl = pos.squares<PAWN>(Us);
+    Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN);
 
     Bitboard ourPawns   = pos.pieces(  Us, PAWN);
     Bitboard theirPawns = pos.pieces(Them, PAWN);
 
-    e->passedPawns[Us] = e->pawnAttacksSpan[Us] = e->weakUnopposed[Us] = 0;
-    e->semiopenFiles[Us] = 0xFF;
-    e->kingSquares[Us]   = SQ_NONE;
-    e->pawnAttacks[Us]   = pawn_attacks_bb<Us>(ourPawns);
-    e->pawnsOnSquares[Us][BLACK] = popcount(ourPawns & DarkSquares);
-    e->pawnsOnSquares[Us][WHITE] = pos.count<PAWN>(Us) - e->pawnsOnSquares[Us][BLACK];
+    Bitboard doubleAttackThem = pawn_double_attacks_bb<Them>(theirPawns);
+
+    e->passedPawns[Us] = 0;
+    e->kingSquares[Us] = SQ_NONE;
+    e->pawnAttacks[Us] = e->pawnAttacksSpan[Us] = pawn_attacks_bb<Us>(ourPawns);
+    e->blockedCount += popcount(shift<Up>(ourPawns) & (theirPawns | doubleAttackThem));
 
     // Loop through all pawns of the current color and score each pawn
-    while ((s = *pl++) != SQ_NONE)
-    {
-        assert(pos.piece_on(s) == make_piece(Us, PAWN));
+    while (b) {
+        s = pop_lsb(&b);
 
-        File f = file_of(s);
+        assert(pos.piece_on(s) == make_piece(Us, PAWN));
 
-        e->semiopenFiles[Us]   &= ~(1 << f);
-        e->pawnAttacksSpan[Us] |= pawn_attack_span(Us, s);
+        Rank r = relative_rank(Us, s);
 
         // Flag the pawn
         opposed    = theirPawns & forward_file_bb(Us, s);
-        stoppers   = theirPawns & passed_pawn_mask(Us, s);
-        lever      = theirPawns & PawnAttacks[Us][s];
-        leverPush  = theirPawns & PawnAttacks[Us][s + Up];
+        blocked    = theirPawns & (s + Up);
+        stoppers   = theirPawns & passed_pawn_span(Us, s);
+        lever      = theirPawns & pawn_attacks_bb(Us, s);
+        leverPush  = theirPawns & pawn_attacks_bb(Us, s + Up);
         doubled    = ourPawns   & (s - Up);
-        neighbours = ourPawns   & adjacent_files_bb(f);
+        neighbours = ourPawns   & adjacent_files_bb(s);
         phalanx    = neighbours & rank_bb(s);
-        supported  = neighbours & rank_bb(s - Up);
-
-        // A pawn is backward when it is behind all pawns of the same color
-        // on the adjacent files and cannot be safely advanced.
-        backward =  !(ourPawns & pawn_attack_span(Them, s + Up))
-                  && (stoppers & (leverPush | (s + Up)));
-
-        // Passed pawns will be properly scored in evaluation because we need
-        // full attack info to evaluate them. Include also not passed pawns
-        // which could become passed after one or two pawn pushes when are
-        // not attacked more times than defended.
-        if (   !(stoppers ^ lever ^ leverPush)
-            && !(ourPawns & forward_file_bb(Us, s))
-            && popcount(supported) >= popcount(lever) - 1
-            && popcount(phalanx)   >= popcount(leverPush))
-            e->passedPawns[Us] |= s;
+        support    = neighbours & rank_bb(s - Up);
 
-        else if (   stoppers == SquareBB[s + Up]
-                 && relative_rank(Us, s) >= RANK_5)
+        if (doubled)
         {
-            b = shift<Up>(supported) & ~theirPawns;
-            while (b)
-                if (!more_than_one(theirPawns & PawnAttacks[Us][pop_lsb(&b)]))
-                    e->passedPawns[Us] |= s;
+            // Additional doubled penalty if none of their pawns is fixed
+            if (!(ourPawns & shift<Down>(theirPawns | pawn_attacks_bb<Them>(theirPawns))))
+                score -= DoubledEarly;
         }
 
+        // A pawn is backward when it is behind all pawns of the same color on
+        // the adjacent files and cannot safely advance.
+        backward =  !(neighbours & forward_ranks_bb(Them, s + Up))
+                  && (leverPush | blocked);
+
+        // Compute additional span if pawn is not backward nor blocked
+        if (!backward && !blocked)
+            e->pawnAttacksSpan[Us] |= pawn_attack_span(Us, s);
+
+        // A pawn is passed if one of the three following conditions is true:
+        // (a) there is no stoppers except some levers
+        // (b) the only stoppers are the leverPush, but we outnumber them
+        // (c) there is only one front stopper which can be levered.
+        //     (Refined in Evaluation::passed)
+        passed =   !(stoppers ^ lever)
+                || (   !(stoppers ^ leverPush)
+                    && popcount(phalanx) >= popcount(leverPush))
+                || (   stoppers == blocked && r >= RANK_5
+                    && (shift<Up>(support) & ~(theirPawns | doubleAttackThem)));
+
+        passed &= !(forward_file_bb(Us, s) & ourPawns);
+
+        // Passed pawns will be properly scored later in evaluation when we have
+        // full attack info.
+        if (passed)
+            e->passedPawns[Us] |= s;
+
         // Score this pawn
-        if (supported | phalanx)
-            score += Connected[opposed][bool(phalanx)][popcount(supported)][relative_rank(Us, s)];
+        if (support | phalanx)
+        {
+            int v =  Connected[r] * (2 + bool(phalanx) - bool(opposed))
+                   + 22 * popcount(support);
+
+            score += make_score(v, v * (r - 2) / 4);
+        }
 
         else if (!neighbours)
-            score -= Isolated, e->weakUnopposed[Us] += !opposed;
+        {
+            if (     opposed
+                &&  (ourPawns & forward_file_bb(Them, s))
+                && !(theirPawns & adjacent_files_bb(s)))
+                score -= Doubled;
+            else
+                score -=  Isolated
+                        + WeakUnopposed * !opposed;
+        }
 
         else if (backward)
-            score -= Backward, e->weakUnopposed[Us] += !opposed;
+            score -=  Backward
+                    + WeakUnopposed * !opposed * bool(~(FileABB | FileHBB) & s);
+
+        if (!support)
+            score -=  Doubled * doubled
+                    + WeakLever * more_than_one(lever);
 
-        if (doubled && !supported)
-            score -= Doubled;
+        if (blocked && r >= RANK_5)
+            score += BlockedPawn[r - RANK_5];
     }
 
     return score;
@@ -157,26 +198,6 @@ namespace {
 
 namespace Pawns {
 
-/// Pawns::init() initializes some tables needed by evaluation. Instead of using
-/// hard-coded tables, when makes sense, we prefer to calculate them with a formula
-/// to reduce independent parameters and to allow easier tuning and better insight.
-
-void init() {
-
-  static constexpr int Seed[RANK_NB] = { 0, 13, 24, 18, 65, 100, 175, 330 };
-
-  for (int opposed = 0; opposed <= 1; ++opposed)
-      for (int phalanx = 0; phalanx <= 1; ++phalanx)
-          for (int support = 0; support <= 2; ++support)
-              for (Rank r = RANK_2; r < RANK_8; ++r)
-  {
-      int v = 17 * support;
-      v += (Seed[r] + (phalanx ? (Seed[r + 1] - Seed[r]) / 2 : 0)) >> opposed;
-
-      Connected[opposed][phalanx][support][r] = make_score(v, v * (r - 2) / 4);
-  }
-}
-
 
 /// Pawns::probe() looks up the current position's pawns configuration in
 /// the pawns hash table. It returns a pointer to the Entry if the position
@@ -192,11 +213,9 @@ Entry* probe(const Position& pos) {
       return e;
 
   e->key = key;
+  e->blockedCount = 0;
   e->scores[WHITE] = evaluate<WHITE>(pos, e);
   e->scores[BLACK] = evaluate<BLACK>(pos, e);
-  e->openFiles = popcount(e->semiopenFiles[WHITE] & e->semiopenFiles[BLACK]);
-  e->asymmetry = popcount(  (e->passedPawns[WHITE]   | e->passedPawns[BLACK])
-                          | (e->semiopenFiles[WHITE] ^ e->semiopenFiles[BLACK]));
 
   return e;
 }
@@ -206,37 +225,38 @@ Entry* probe(const Position& pos) {
 /// penalty for a king, looking at the king file and the two closest files.
 
 template<Color Us>
-Value Entry::evaluate_shelter(const Position& pos, Square ksq) {
+Score Entry::evaluate_shelter(const Position& pos, Square ksq) const {
 
-  constexpr Color     Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
-  constexpr Direction Down = (Us == WHITE ? SOUTH : NORTH);
-  constexpr Bitboard  BlockRanks = (Us == WHITE ? Rank1BB | Rank2BB : Rank8BB | Rank7BB);
+  constexpr Color Them = ~Us;
 
-  Bitboard b = pos.pieces(PAWN) & (forward_ranks_bb(Us, ksq) | rank_bb(ksq));
-  Bitboard ourPawns = b & pos.pieces(Us);
+  Bitboard b = pos.pieces(PAWN) & ~forward_ranks_bb(Them, ksq);
+  Bitboard ourPawns = b & pos.pieces(Us) & ~pawnAttacks[Them];
   Bitboard theirPawns = b & pos.pieces(Them);
 
-  Value safety = (ourPawns & file_bb(ksq)) ? Value(5) : Value(-5);
+  Score bonus = make_score(5, 5);
 
-  if (shift<Down>(theirPawns) & (FileABB | FileHBB) & BlockRanks & ksq)
-      safety += Value(374);
-
-  File center = std::max(FILE_B, std::min(FILE_G, file_of(ksq)));
+  File center = std::clamp(file_of(ksq), FILE_B, FILE_G);
   for (File f = File(center - 1); f <= File(center + 1); ++f)
   {
       b = ourPawns & file_bb(f);
-      int ourRank = b ? relative_rank(Us, backmost_sq(Us, b)) : 0;
+      int ourRank = b ? relative_rank(Us, frontmost_sq(Them, b)) : 0;
 
       b = theirPawns & file_bb(f);
       int theirRank = b ? relative_rank(Us, frontmost_sq(Them, b)) : 0;
 
-      int d = std::min(f, ~f);
-      safety += ShelterStrength[d][ourRank];
-      safety -= (ourRank && (ourRank == theirRank - 1)) ? BlockedStorm[theirRank]
-                                                        : UnblockedStorm[d][theirRank];
+      int d = edge_distance(f);
+      bonus += make_score(ShelterStrength[d][ourRank], 0);
+
+      if (ourRank && (ourRank == theirRank - 1))
+          bonus -= BlockedStorm[theirRank];
+      else
+          bonus -= make_score(UnblockedStorm[d][theirRank], 0);
   }
 
-  return safety;
+  // King On File
+  bonus -= KingOnFile[pos.is_on_semiopen_file(Us, ksq)][pos.is_on_semiopen_file(Them, ksq)];
+
+  return bonus;
 }
 
 
@@ -244,30 +264,37 @@ Value Entry::evaluate_shelter(const Position& pos, Square ksq) {
 /// when king square changes, which is about 20% of total king_safety() calls.
 
 template<Color Us>
-Score Entry::do_king_safety(const Position& pos, Square ksq) {
+Score Entry::do_king_safety(const Position& pos) {
 
+  Square ksq = pos.square<KING>(Us);
   kingSquares[Us] = ksq;
-  castlingRights[Us] = pos.can_castle(Us);
-  int minKingPawnDistance = 0;
+  castlingRights[Us] = pos.castling_rights(Us);
+  auto compare = [](Score a, Score b) { return mg_value(a) < mg_value(b); };
 
-  Bitboard pawns = pos.pieces(Us, PAWN);
-  if (pawns)
-      while (!(DistanceRingBB[ksq][minKingPawnDistance++] & pawns)) {}
+  Score shelter = evaluate_shelter<Us>(pos, ksq);
 
-  Value bonus = evaluate_shelter<Us>(pos, ksq);
+  // If we can castle use the bonus after castling if it is bigger
 
-  // If we can castle use the bonus after the castling if it is bigger
-  if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, KING_SIDE>::right))
-      bonus = std::max(bonus, evaluate_shelter<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_G1)));
+  if (pos.can_castle(Us & KING_SIDE))
+      shelter = std::max(shelter, evaluate_shelter<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_G1)), compare);
+
+  if (pos.can_castle(Us & QUEEN_SIDE))
+      shelter = std::max(shelter, evaluate_shelter<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_C1)), compare);
+
+  // In endgame we like to bring our king near our closest pawn
+  Bitboard pawns = pos.pieces(Us, PAWN);
+  int minPawnDist = 6;
 
-  if (pos.can_castle(MakeCastling<Us, QUEEN_SIDE>::right))
-      bonus = std::max(bonus, evaluate_shelter<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_C1)));
+  if (pawns & attacks_bb<KING>(ksq))
+      minPawnDist = 1;
+  else while (pawns)
+      minPawnDist = std::min(minPawnDist, distance(ksq, pop_lsb(&pawns)));
 
-  return make_score(bonus, -16 * minKingPawnDistance);
+  return shelter - make_score(0, 16 * minPawnDist);
 }
 
 // Explicit template instantiation
-template Score Entry::do_king_safety<WHITE>(const Position& pos, Square ksq);
-template Score Entry::do_king_safety<BLACK>(const Position& pos, Square ksq);
+template Score Entry::do_king_safety<WHITE>(const Position& pos);
+template Score Entry::do_king_safety<BLACK>(const Position& pos);
 
 } // namespace Pawns