git.sesse.net Git - stockfish/blob - src/material.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 <sstream>
  27 #include <map>
  28
  29 #include "material.h"
  30
  31 using namespace std;
  32
  33
  34 ////
  35 //// Local definitions
  36 ////
  37
  38 namespace {
  39
  40   // Values modified by Joona Kiiski
  41   const Value MidgameLimit = Value(15581);
  42   const Value EndgameLimit = Value(3998);
  43
  44   // Polynomial material balance parameters
  45   const Value RedundantQueenPenalty = Value(320);
  46   const Value RedundantRookPenalty  = Value(554);
  47
  48   const int LinearCoefficients[6] = { 1617, -162, -1172, -190, 105, 26 };
  49
  50   const int QuadraticCoefficientsSameColor[][6] = {
  51   { 7, 7, 7, 7, 7, 7 }, { 39, 2, 7, 7, 7, 7 }, { 35, 271, -4, 7, 7, 7 },
  52   { 7, 25, 4, 7, 7, 7 }, { -27, -2, 46, 100, 56, 7 }, { 58, 29, 83, 148, -3, -25 } };
  53
  54   const int QuadraticCoefficientsOppositeColor[][6] = {
  55   { 41, 41, 41, 41, 41, 41 }, { 37, 41, 41, 41, 41, 41 }, { 10, 62, 41, 41, 41, 41 },
  56   { 57, 64, 39, 41, 41, 41 }, { 50, 40, 23, -22, 41, 41 }, { 106, 101, 3, 151, 171, 41 } };
  57
  58   typedef EndgameEvaluationFunctionBase EF;
  59   typedef EndgameScalingFunctionBase SF;
  60   typedef map<Key, EF*> EFMap;
  61   typedef map<Key, SF*> SFMap;
  62
  63   // Endgame evaluation and scaling functions accessed direcly and not through
  64   // the function maps because correspond to more then one material hash key.
  65   EvaluationFunction<KmmKm> EvaluateKmmKm[] = { EvaluationFunction<KmmKm>(WHITE), EvaluationFunction<KmmKm>(BLACK) };
  66   EvaluationFunction<KXK>   EvaluateKXK[]   = { EvaluationFunction<KXK>(WHITE),   EvaluationFunction<KXK>(BLACK) };
  67   ScalingFunction<KBPsK>    ScaleKBPsK[]    = { ScalingFunction<KBPsK>(WHITE),    ScalingFunction<KBPsK>(BLACK) };
  68   ScalingFunction<KQKRPs>   ScaleKQKRPs[]   = { ScalingFunction<KQKRPs>(WHITE),   ScalingFunction<KQKRPs>(BLACK) };
  69   ScalingFunction<KPsK>     ScaleKPsK[]     = { ScalingFunction<KPsK>(WHITE),     ScalingFunction<KPsK>(BLACK) };
  70   ScalingFunction<KPKP>     ScaleKPKP[]     = { ScalingFunction<KPKP>(WHITE),     ScalingFunction<KPKP>(BLACK) };
  71
  72   // Helper templates used to detect a given material distribution
  73   template<Color Us> bool is_KXK(const Position& pos) {
  74     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
  75     return   pos.non_pawn_material(Them) == Value(0)
  76           && pos.piece_count(Them, PAWN) == 0
  77           && pos.non_pawn_material(Us)   >= RookValueMidgame;
  78   }
  79
  80   template<Color Us> bool is_KBPsK(const Position& pos) {
  81     return   pos.non_pawn_material(Us)   == BishopValueMidgame
  82           && pos.piece_count(Us, BISHOP) == 1
  83           && pos.piece_count(Us, PAWN)   >= 1;
  84   }
  85
  86   template<Color Us> bool is_KQKRPs(const Position& pos) {
  87     const Color Them = (Us == WHITE ? BLACK : WHITE);
  88     return   pos.piece_count(Us, PAWN)    == 0
  89           && pos.non_pawn_material(Us)    == QueenValueMidgame
  90           && pos.piece_count(Us, QUEEN)   == 1
  91           && pos.piece_count(Them, ROOK)  == 1
  92           && pos.piece_count(Them, PAWN)  >= 1;
  93   }
  94 }
  95
  96
  97 ////
  98 //// Classes
  99 ////
 100
 101 /// EndgameFunctions class stores endgame evaluation and scaling functions
 102 /// in two std::map. Because STL library is not guaranteed to be thread
 103 /// safe even for read access, the maps, although with identical content,
 104 /// are replicated for each thread. This is faster then using locks.
 105
 106 class EndgameFunctions {
 107 public:
 108   EndgameFunctions();
 109   ~EndgameFunctions();
 110   template<class T> T* get(Key key) const;
 111
 112 private:
 113   template<class T> void add(const string& keyCode);
 114
 115   static Key buildKey(const string& keyCode);
 116   static const string swapColors(const string& keyCode);
 117
 118   // Here we store two maps, for evaluate and scaling functions...
 119   pair<EFMap, SFMap> maps;
 120
 121   // ...and here is the accessing template function
 122   template<typename T> const map<Key, T*>& get() const;
 123 };
 124
 125 // Explicit specializations of a member function shall be declared in
 126 // the namespace of which the class template is a member.
 127 template<> const EFMap& EndgameFunctions::get<EF>() const { return maps.first; }
 128 template<> const SFMap& EndgameFunctions::get<SF>() const { return maps.second; }
 129
 130
 131 ////
 132 //// Functions
 133 ////
 134
 135 /// MaterialInfoTable c'tor and d'tor, called once by each thread
 136
 137 MaterialInfoTable::MaterialInfoTable(unsigned int numOfEntries) {
 138
 139   size = numOfEntries;
 140   entries = new MaterialInfo[size];
 141   funcs = new EndgameFunctions();
 142
 143   if (!entries || !funcs)
 144   {
 145       cerr << "Failed to allocate " << numOfEntries * sizeof(MaterialInfo)
 146            << " bytes for material hash table." << endl;
 147       Application::exit_with_failure();
 148   }
 149 }
 150
 151 MaterialInfoTable::~MaterialInfoTable() {
 152
 153   delete funcs;
 154   delete [] entries;
 155 }
 156
 157
 158 /// MaterialInfoTable::game_phase() calculates the phase given the current
 159 /// position. Because the phase is strictly a function of the material, it
 160 /// is stored in MaterialInfo.
 161
 162 Phase MaterialInfoTable::game_phase(const Position& pos) {
 163
 164   Value npm = pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK);
 165
 166   if (npm >= MidgameLimit)
 167       return PHASE_MIDGAME;
 168
 169   if (npm <= EndgameLimit)
 170       return PHASE_ENDGAME;
 171
 172   return Phase(((npm - EndgameLimit) * 128) / (MidgameLimit - EndgameLimit));
 173 }
 174
 175 /// MaterialInfoTable::get_material_info() takes a position object as input,
 176 /// computes or looks up a MaterialInfo object, and returns a pointer to it.
 177 /// If the material configuration is not already present in the table, it
 178 /// is stored there, so we don't have to recompute everything when the
 179 /// same material configuration occurs again.
 180
 181 MaterialInfo* MaterialInfoTable::get_material_info(const Position& pos) {
 182
 183   Key key = pos.get_material_key();
 184   unsigned index = unsigned(key & (size - 1));
 185   MaterialInfo* mi = entries + index;
 186
 187   // If mi->key matches the position's material hash key, it means that we
 188   // have analysed this material configuration before, and we can simply
 189   // return the information we found the last time instead of recomputing it.
 190   if (mi->key == key)
 191       return mi;
 192
 193   // Clear the MaterialInfo object, and set its key
 194   mi->clear();
 195   mi->key = key;
 196
 197   // Store game phase
 198   mi->gamePhase = MaterialInfoTable::game_phase(pos);
 199
 200   // Let's look if we have a specialized evaluation function for this
 201   // particular material configuration. First we look for a fixed
 202   // configuration one, then a generic one if previous search failed.
 203   if ((mi->evaluationFunction = funcs->get<EF>(key)) != NULL)
 204       return mi;
 205
 206   if (is_KXK<WHITE>(pos) || is_KXK<BLACK>(pos))
 207   {
 208       mi->evaluationFunction = is_KXK<WHITE>(pos) ? &EvaluateKXK[WHITE] : &EvaluateKXK[BLACK];
 209       return mi;
 210   }
 211
 212   if (   pos.pieces(PAWN)  == EmptyBoardBB
 213       && pos.pieces(ROOK)  == EmptyBoardBB
 214       && pos.pieces(QUEEN) == EmptyBoardBB)
 215   {
 216       // Minor piece endgame with at least one minor piece per side and
 217       // no pawns. Note that the case KmmK is already handled by KXK.
 218       assert((pos.pieces(KNIGHT, WHITE) | pos.pieces(BISHOP, WHITE)));
 219       assert((pos.pieces(KNIGHT, BLACK) | pos.pieces(BISHOP, BLACK)));
 220
 221       if (   pos.piece_count(WHITE, BISHOP) + pos.piece_count(WHITE, KNIGHT) <= 2
 222           && pos.piece_count(BLACK, BISHOP) + pos.piece_count(BLACK, KNIGHT) <= 2)
 223       {
 224           mi->evaluationFunction = &EvaluateKmmKm[WHITE];
 225           return mi;
 226       }
 227   }
 228
 229   // OK, we didn't find any special evaluation function for the current
 230   // material configuration. Is there a suitable scaling function?
 231   //
 232   // We face problems when there are several conflicting applicable
 233   // scaling functions and we need to decide which one to use.
 234   SF* sf;
 235
 236   if ((sf = funcs->get<SF>(key)) != NULL)
 237   {
 238       mi->scalingFunction[sf->color()] = sf;
 239       return mi;
 240   }
 241
 242   // Generic scaling functions that refer to more then one material
 243   // distribution. Should be probed after the specialized ones.
 244   // Note that these ones don't return after setting the function.
 245   if (is_KBPsK<WHITE>(pos))
 246       mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKBPsK[WHITE];
 247
 248   if (is_KBPsK<BLACK>(pos))
 249       mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKBPsK[BLACK];
 250
 251   if (is_KQKRPs<WHITE>(pos))
 252       mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKQKRPs[WHITE];
 253
 254   else if (is_KQKRPs<BLACK>(pos))
 255       mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKQKRPs[BLACK];
 256
 257   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) == Value(0))
 258   {
 259       if (pos.piece_count(BLACK, PAWN) == 0)
 260       {
 261           assert(pos.piece_count(WHITE, PAWN) >= 2);
 262           mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKPsK[WHITE];
 263       }
 264       else if (pos.piece_count(WHITE, PAWN) == 0)
 265       {
 266           assert(pos.piece_count(BLACK, PAWN) >= 2);
 267           mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKPsK[BLACK];
 268       }
 269       else if (pos.piece_count(WHITE, PAWN) == 1 && pos.piece_count(BLACK, PAWN) == 1)
 270       {
 271           // This is a special case because we set scaling functions
 272           // for both colors instead of only one.
 273           mi->scalingFunction[WHITE] = &ScaleKPKP[WHITE];
 274           mi->scalingFunction[BLACK] = &ScaleKPKP[BLACK];
 275       }
 276   }
 277
 278   // Compute the space weight
 279   if (pos.non_pawn_material(WHITE) + pos.non_pawn_material(BLACK) >=
 280       2*QueenValueMidgame + 4*RookValueMidgame + 2*KnightValueMidgame)
 281   {
 282       int minorPieceCount =  pos.piece_count(WHITE, KNIGHT)
 283                            + pos.piece_count(BLACK, KNIGHT)
 284                            + pos.piece_count(WHITE, BISHOP)
 285                            + pos.piece_count(BLACK, BISHOP);
 286
 287       mi->spaceWeight = minorPieceCount * minorPieceCount;
 288   }
 289
 290   // Evaluate the material balance
 291   const int pieceCount[2][6] = { { pos.piece_count(WHITE, BISHOP) > 1, pos.piece_count(WHITE, PAWN), pos.piece_count(WHITE, KNIGHT),
 292                                    pos.piece_count(WHITE, BISHOP), pos.piece_count(WHITE, ROOK), pos.piece_count(WHITE, QUEEN) },
 293                                  { pos.piece_count(BLACK, BISHOP) > 1, pos.piece_count(BLACK, PAWN), pos.piece_count(BLACK, KNIGHT),
 294                                    pos.piece_count(BLACK, BISHOP), pos.piece_count(BLACK, ROOK), pos.piece_count(BLACK, QUEEN) } };
 295   Color c, them;
 296   int sign, pt1, pt2, pc;
 297   int v, vv, matValue = 0;
 298
 299   for (c = WHITE, sign = 1; c <= BLACK; c++, sign = -sign)
 300   {
 301     // No pawns makes it difficult to win, even with a material advantage
 302     if (   pos.piece_count(c, PAWN) == 0
 303         && pos.non_pawn_material(c) - pos.non_pawn_material(opposite_color(c)) <= BishopValueMidgame)
 304     {
 305         if (   pos.non_pawn_material(c) == pos.non_pawn_material(opposite_color(c))
 306             || pos.non_pawn_material(c) < RookValueMidgame)
 307             mi->factor[c] = 0;
 308         else
 309         {
 310             switch (pos.piece_count(c, BISHOP)) {
 311             case 2:
 312                 mi->factor[c] = 32;
 313                 break;
 314             case 1:
 315                 mi->factor[c] = 12;
 316                 break;
 317             case 0:
 318                 mi->factor[c] = 6;
 319                 break;
 320             }
 321         }
 322     }
 323
 324     // Redundancy of major pieces, formula based on Kaufman's paper
 325     // "The Evaluation of Material Imbalances in Chess"
 326     // http://mywebpages.comcast.net/danheisman/Articles/evaluation_of_material_imbalance.htm
 327     if (pieceCount[c][ROOK] >= 1)
 328         matValue -= sign * ((pieceCount[c][ROOK] - 1) * RedundantRookPenalty + pieceCount[c][QUEEN] * RedundantQueenPenalty);
 329
 330     them = opposite_color(c);
 331     v = 0;
 332
 333     // Second-degree polynomial material imbalance by Tord Romstad
 334     //
 335     // We use NO_PIECE_TYPE as a place holder for the bishop pair "extended piece",
 336     // this allow us to be more flexible in defining bishop pair bonuses.
 337     for (pt1 = PIECE_TYPE_NONE; pt1 <= QUEEN; pt1++)
 338     {
 339         pc = pieceCount[c][pt1];
 340         if (!pc)
 341             continue;
 342
 343         vv = LinearCoefficients[pt1];
 344
 345         for (pt2 = PIECE_TYPE_NONE; pt2 <= pt1; pt2++)
 346             vv +=  pieceCount[c][pt2] * QuadraticCoefficientsSameColor[pt1][pt2]
 347                  + pieceCount[them][pt2] * QuadraticCoefficientsOppositeColor[pt1][pt2];
 348
 349         v += pc * vv;
 350     }
 351     matValue += sign * v;
 352   }
 353   mi->value = int16_t(matValue / 16);
 354   return mi;
 355 }
 356
 357
 358 /// EndgameFunctions member definitions.
 359
 360 EndgameFunctions::EndgameFunctions() {
 361
 362   add<EvaluationFunction<KNNK>  >("KNNK");
 363   add<EvaluationFunction<KPK>   >("KPK");
 364   add<EvaluationFunction<KBNK>  >("KBNK");
 365   add<EvaluationFunction<KRKP>  >("KRKP");
 366   add<EvaluationFunction<KRKB>  >("KRKB");
 367   add<EvaluationFunction<KRKN>  >("KRKN");
 368   add<EvaluationFunction<KQKR>  >("KQKR");
 369   add<EvaluationFunction<KBBKN> >("KBBKN");
 370
 371   add<ScalingFunction<KNPK>    >("KNPK");
 372   add<ScalingFunction<KRPKR>   >("KRPKR");
 373   add<ScalingFunction<KBPKB>   >("KBPKB");
 374   add<ScalingFunction<KBPPKB>  >("KBPPKB");
 375   add<ScalingFunction<KBPKN>   >("KBPKN");
 376   add<ScalingFunction<KRPPKRP> >("KRPPKRP");
 377 }
 378
 379 EndgameFunctions::~EndgameFunctions() {
 380
 381     for (EFMap::const_iterator it = maps.first.begin(); it != maps.first.end(); ++it)
 382         delete it->second;
 383
 384     for (SFMap::const_iterator it = maps.second.begin(); it != maps.second.end(); ++it)
 385         delete it->second;
 386 }
 387
 388 Key EndgameFunctions::buildKey(const string& keyCode) {
 389
 390     assert(keyCode.length() > 0 && keyCode[0] == 'K');
 391     assert(keyCode.length() < 8);
 392
 393     stringstream s;
 394     bool upcase = false;
 395
 396     // Build up a fen string with the given pieces, note that
 397     // the fen string could be of an illegal position.
 398     for (size_t i = 0; i < keyCode.length(); i++)
 399     {
 400         if (keyCode[i] == 'K')
 401             upcase = !upcase;
 402
 403         s << char(upcase ? toupper(keyCode[i]) : tolower(keyCode[i]));
 404     }
 405     s << 8 - keyCode.length() << "/8/8/8/8/8/8/8 w - -";
 406     return Position(s.str(), 0).get_material_key();
 407 }
 408
 409 const string EndgameFunctions::swapColors(const string& keyCode) {
 410
 411     // Build corresponding key for the opposite color: "KBPKN" -> "KNKBP"
 412     size_t idx = keyCode.find("K", 1);
 413     return keyCode.substr(idx) + keyCode.substr(0, idx);
 414 }
 415
 416 template<class T>
 417 void EndgameFunctions::add(const string& keyCode) {
 418
 419   typedef typename T::Base F;
 420   typedef map<Key, F*> M;
 421
 422   const_cast<M&>(get<F>()).insert(pair<Key, F*>(buildKey(keyCode), new T(WHITE)));
 423   const_cast<M&>(get<F>()).insert(pair<Key, F*>(buildKey(swapColors(keyCode)), new T(BLACK)));
 424 }
 425
 426 template<class T>
 427 T* EndgameFunctions::get(Key key) const {
 428
 429   typename map<Key, T*>::const_iterator it = get<T>().find(key);
 430   return it != get<T>().end() ? it->second : NULL;
 431 }