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Add penalty for doubled pawns in agile structure
[stockfish] / src / pawns.cpp
index fece246b1c999a31611a8b8661b4e97d8e9520e2..5d6770ed76eafb88bcd871a790f45c289a0b1e0a 100644 (file)
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 /*
   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
-  Copyright (C) 2004-2008 Tord Romstad (Glaurung author)
-  Copyright (C) 2008-2013 Marco Costalba, Joona Kiiski, 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
 #include <cassert>
 
 #include "bitboard.h"
-#include "bitcount.h"
 #include "pawns.h"
 #include "position.h"
+#include "thread.h"
 
 namespace {
 
   #define V Value
   #define S(mg, eg) make_score(mg, eg)
 
-  // Doubled pawn penalty by opposed flag and file
-  const Score Doubled[2][FILE_NB] = {
-  { S(13, 43), S(20, 48), S(23, 48), S(23, 48),
-    S(23, 48), S(23, 48), S(20, 48), S(13, 43) },
-  { S(13, 43), S(20, 48), S(23, 48), S(23, 48),
-    S(23, 48), S(23, 48), S(20, 48), S(13, 43) }};
-
-  // Isolated pawn penalty by opposed flag and file
-  const Score Isolated[2][FILE_NB] = {
-  { S(37, 45), S(54, 52), S(60, 52), S(60, 52),
-    S(60, 52), S(60, 52), S(54, 52), S(37, 45) },
-  { S(25, 30), S(36, 35), S(40, 35), S(40, 35),
-    S(40, 35), S(40, 35), S(36, 35), S(25, 30) }};
-
-  // Backward pawn penalty by opposed flag and file
-  const Score Backward[2][FILE_NB] = {
-  { S(30, 42), S(43, 46), S(49, 46), S(49, 46),
-    S(49, 46), S(49, 46), S(43, 46), S(30, 42) },
-  { S(20, 28), S(29, 31), S(33, 31), S(33, 31),
-    S(33, 31), S(33, 31), S(29, 31), S(20, 28) }};
-
-  // Pawn chain membership bonus by file
-  const Score ChainMember[FILE_NB] = {
-    S(11,-1), S(13,-1), S(13,-1), S(14,-1),
-    S(14,-1), S(13,-1), S(13,-1), S(11,-1)
+  // 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);
+
+  // Bonus for blocked pawns at 5th or 6th rank
+  constexpr Score BlockedPawn[2] = { S(-15, -3), S(-6, 3) };
+
+  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)
   };
 
-  // Candidate passed pawn bonus by rank
-  const Score CandidatePassed[RANK_NB] = {
-    S( 0, 0), S( 6, 13), S(6,13), S(14,29),
-    S(34,68), S(83,166), S(0, 0), S( 0, 0)
+  // 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( -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) }
   };
 
-  // Weakness of our pawn shelter in front of the king indexed by [rank]
-  const Value ShelterWeakness[RANK_NB] =
-  { V(100), V(0), V(27), V(73), V(92), V(101), V(101) };
+  // 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. 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( 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 enemy pawns moving toward our king indexed by
-  // [no friendly pawn | pawn unblocked | pawn blocked][rank of enemy pawn]
-  const Value StormDanger[3][RANK_NB] = {
-  { V( 0),  V(64), V(128), V(51), V(26) },
-  { V(26),  V(32), V( 96), V(38), V(20) },
-  { V( 0),  V( 0), V( 64), V(25), V(13) }};
 
-  // Max bonus for king safety. Corresponds to start position with all the pawns
-  // in front of the king and no enemy pawn on the horizont.
-  const Value MaxSafetyBonus = V(263);
+  // 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) {
 
-    const Color  Them  = (Us == WHITE ? BLACK    : WHITE);
-    const Square Up    = (Us == WHITE ? DELTA_N  : DELTA_S);
-    const Square Right = (Us == WHITE ? DELTA_NE : DELTA_SW);
-    const Square Left  = (Us == WHITE ? DELTA_NW : DELTA_SE);
+    constexpr Color     Them = ~Us;
+    constexpr Direction Up   = pawn_push(Us);
+    constexpr Direction Down = -Up;
 
-    Bitboard b;
+    Bitboard neighbours, stoppers, support, phalanx, opposed;
+    Bitboard lever, leverPush, blocked;
     Square s;
-    File f;
-    bool passed, isolated, doubled, opposed, chain, backward, candidate;
-    Score value = SCORE_ZERO;
-    const Square* pl = pos.list<PAWN>(Us);
+    bool backward, passed, doubled;
+    Score score = SCORE_ZERO;
+    Bitboard b = pos.pieces(Us, PAWN);
 
-    Bitboard ourPawns = pos.pieces(Us, PAWN);
+    Bitboard ourPawns   = pos.pieces(  Us, PAWN);
     Bitboard theirPawns = pos.pieces(Them, PAWN);
 
+    Bitboard doubleAttackThem = pawn_double_attacks_bb<Them>(theirPawns);
+
     e->passedPawns[Us] = 0;
     e->kingSquares[Us] = SQ_NONE;
-    e->semiopenFiles[Us] = 0xFF;
-    e->pawnAttacks[Us] = shift_bb<Right>(ourPawns) | shift_bb<Left>(ourPawns);
-    e->pawnsOnSquares[Us][BLACK] = popcount<Max15>(ourPawns & DarkSquares);
-    e->pawnsOnSquares[Us][WHITE] = pos.count<PAWN>(Us) - e->pawnsOnSquares[Us][BLACK];
+    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)
-    {
+    while (b) {
+        s = pop_lsb(&b);
+
         assert(pos.piece_on(s) == make_piece(Us, PAWN));
 
-        f = file_of(s);
-
-        // This file cannot be semi-open
-        e->semiopenFiles[Us] &= ~(1 << f);
-
-        // Our rank plus previous one. Used for chain detection
-        b = rank_bb(s) | rank_bb(s - pawn_push(Us));
-
-        // Flag the pawn as passed, isolated, doubled or member of a pawn
-        // chain (but not the backward one).
-        chain    =   ourPawns   & adjacent_files_bb(f) & b;
-        isolated = !(ourPawns   & adjacent_files_bb(f));
-        doubled  =   ourPawns   & forward_bb(Us, s);
-        opposed  =   theirPawns & forward_bb(Us, s);
-        passed   = !(theirPawns & passed_pawn_mask(Us, s));
-
-        // Test for backward pawn.
-        // If the pawn is passed, isolated, or member of a pawn chain it cannot
-        // be backward. If there are friendly pawns behind on adjacent files
-        // or if can capture an enemy pawn it cannot be backward either.
-        if (   (passed | isolated | chain)
-            || (ourPawns & pawn_attack_span(Them, s))
-            || (pos.attacks_from<PAWN>(s, Us) & theirPawns))
-            backward = false;
-        else
-        {
-            // We now know that there are no friendly pawns beside or behind this
-            // pawn on adjacent files. We now check whether the pawn is
-            // backward by looking in the forward direction on the adjacent
-            // files, and seeing whether we meet a friendly or an enemy pawn first.
-            b = pos.attacks_from<PAWN>(s, Us);
-
-            // Note that we are sure to find something because pawn is not passed
-            // nor isolated, so loop is potentially infinite, but it isn't.
-            while (!(b & (ourPawns | theirPawns)))
-                b = shift_bb<Up>(b);
-
-            // The friendly pawn needs to be at least two ranks closer than the
-            // enemy pawn in order to help the potentially backward pawn advance.
-            backward = (b | shift_bb<Up>(b)) & theirPawns;
-        }
+        Rank r = relative_rank(Us, s);
 
-        assert(opposed | passed | (pawn_attack_span(Us, s) & theirPawns));
+        // Flag the pawn
+        opposed    = theirPawns & forward_file_bb(Us, s);
+        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(s);
+        phalanx    = neighbours & rank_bb(s);
+        support    = neighbours & rank_bb(s - Up);
 
-        // A not passed pawn is a candidate to become passed if it is free to
-        // advance and if the number of friendly pawns beside or behind this
-        // pawn on adjacent files is higher or equal than the number of
-        // enemy pawns in the forward direction on the adjacent files.
-        candidate =   !(opposed | passed | backward | isolated)
-                   && (b = pawn_attack_span(Them, s + pawn_push(Us)) & ourPawns) != 0
-                   &&  popcount<Max15>(b) >= popcount<Max15>(pawn_attack_span(Us, s) & theirPawns);
+        if (doubled)
+        {
+            // Additional doubled penalty if none of their pawns is fixed
+            if (!(ourPawns & shift<Down>(theirPawns | pawn_attacks_bb<Them>(theirPawns))))
+                score -= DoubledEarly;
+        }
 
-        // Passed pawns will be properly scored in evaluation because we need
-        // full attack info to evaluate passed pawns. Only the frontmost passed
-        // pawn on each file is considered a true passed pawn.
-        if (passed && !doubled)
+        // 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 (isolated)
-            value -= Isolated[opposed][f];
+        if (support | phalanx)
+        {
+            int v =  Connected[r] * (2 + bool(phalanx) - bool(opposed))
+                   + 22 * popcount(support);
 
-        if (doubled)
-            value -= Doubled[opposed][f];
+            score += make_score(v, v * (r - 2) / 4);
+        }
 
-        if (backward)
-            value -= Backward[opposed][f];
+        else if (!neighbours)
+        {
+            if (     opposed
+                &&  (ourPawns & forward_file_bb(Them, s))
+                && !(theirPawns & adjacent_files_bb(s)))
+                score -= Doubled;
+            else
+                score -=  Isolated
+                        + WeakUnopposed * !opposed;
+        }
 
-        if (chain)
-            value += ChainMember[f];
+        else if (backward)
+            score -=  Backward
+                    + WeakUnopposed * !opposed * bool(~(FileABB | FileHBB) & s);
 
-        if (candidate)
-            value += CandidatePassed[relative_rank(Us, s)];
+        if (!support)
+            score -=  Doubled * doubled
+                    + WeakLever * more_than_one(lever);
+
+        if (blocked && r >= RANK_5)
+            score += BlockedPawn[r - RANK_5];
     }
 
-    return value;
+    return score;
   }
 
 } // namespace
 
 namespace Pawns {
 
-/// probe() takes a position object as input, computes a Entry object, and returns
-/// a pointer to it. The result is also stored in a hash table, so we don't have
-/// to recompute everything when the same pawn structure occurs again.
 
-Entry* probe(const Position& pos, Table& entries) {
+/// 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
+/// is found. Otherwise a new Entry is computed and stored there, so we don't
+/// have to recompute all when the same pawns configuration occurs again.
+
+Entry* probe(const Position& pos) {
 
   Key key = pos.pawn_key();
-  Entry* e = entries[key];
+  Entry* e = pos.this_thread()->pawnsTable[key];
 
   if (e->key == key)
       return e;
 
   e->key = key;
-  e->value = evaluate<WHITE>(pos, e) - evaluate<BLACK>(pos, e);
+  e->blockedCount = 0;
+  e->scores[WHITE] = evaluate<WHITE>(pos, e);
+  e->scores[BLACK] = evaluate<BLACK>(pos, e);
+
   return e;
 }
 
 
-/// Entry::shelter_storm() calculates shelter and storm penalties for the file
-/// the king is on, as well as the two adjacent files.
+/// Entry::evaluate_shelter() calculates the shelter bonus and the storm
+/// penalty for a king, looking at the king file and the two closest files.
 
 template<Color Us>
-Value Entry::shelter_storm(const Position& pos, Square ksq) {
+Score Entry::evaluate_shelter(const Position& pos, Square ksq) const {
 
-  const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
+  constexpr Color Them = ~Us;
 
-  Value safety = MaxSafetyBonus;
-  Bitboard b = pos.pieces(PAWN) & (in_front_bb(Us, rank_of(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);
-  Rank rkUs, rkThem;
-  File kf = std::max(FILE_B, std::min(FILE_G, file_of(ksq)));
 
-  for (int f = kf - 1; f <= kf + 1; f++)
+  Score bonus = make_score(5, 5);
+
+  File center = std::clamp(file_of(ksq), FILE_B, FILE_G);
+  for (File f = File(center - 1); f <= File(center + 1); ++f)
   {
-      b = ourPawns & FileBB[f];
-      rkUs = b ? relative_rank(Us, lsb(Us, b)) : RANK_1;
-      safety -= ShelterWeakness[rkUs];
+      b = ourPawns & file_bb(f);
+      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;
 
-      b  = theirPawns & FileBB[f];
-      rkThem = b ? relative_rank(Us, lsb(Us, b)) : RANK_1;
-      safety -= StormDanger[rkUs == RANK_1 ? 0 : rkThem == rkUs + 1 ? 2 : 1][rkThem];
+      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;
 }
 
 
-/// Entry::update_safety() calculates and caches a bonus for king safety. It is
-/// called only when king square changes, about 20% of total king_safety() calls.
+/// Entry::do_king_safety() calculates a bonus for king safety. It is called only
+/// when king square changes, which is about 20% of total king_safety() calls.
 
 template<Color Us>
-Score Entry::update_safety(const Position& pos, Square ksq) {
+Score Entry::do_king_safety(const Position& pos) {
 
+  Square ksq = pos.square<KING>(Us);
   kingSquares[Us] = ksq;
-  castleRights[Us] = pos.can_castle(Us);
-  minKPdistance[Us] = 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 (!(DistanceRingsBB[ksq][minKPdistance[Us]++] & pawns)) {}
+  Score shelter = evaluate_shelter<Us>(pos, ksq);
+
+  // If we can castle use the bonus after castling if it is bigger
 
-  if (relative_rank(Us, ksq) > RANK_4)
-      return kingSafety[Us] = make_score(0, -16 * minKPdistance[Us]);
+  if (pos.can_castle(Us & KING_SIDE))
+      shelter = std::max(shelter, evaluate_shelter<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_G1)), compare);
 
-  Value bonus = shelter_storm<Us>(pos, ksq);
+  if (pos.can_castle(Us & QUEEN_SIDE))
+      shelter = std::max(shelter, evaluate_shelter<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_C1)), compare);
 
-  // If we can castle use the bonus after the castle if is bigger
-  if (pos.can_castle(make_castle_right(Us, KING_SIDE)))
-      bonus = std::max(bonus, shelter_storm<Us>(pos, relative_square(Us, SQ_G1)));
+  // 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(make_castle_right(Us, QUEEN_SIDE)))
-      bonus = std::max(bonus, shelter_storm<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 kingSafety[Us] = make_score(bonus, -16 * minKPdistance[Us]);
+  return shelter - make_score(0, 16 * minPawnDist);
 }
 
 // Explicit template instantiation
-template Score Entry::update_safety<WHITE>(const Position& pos, Square ksq);
-template Score Entry::update_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