JavaScript BigInt-aritmetiikka: suurten lukujen laskenta ja tarkkuuden hallinta

JavaScript käyttää oletusarvoisesti Number-tietotyyppiä numeeristen arvojen esittämiseen. Vaikka se riittää moniin käyttötapauksiin, Number-tyypillä on rajoituksia erittäin suurten kokonaislukujen tarkassa esittämisessä sen taustalla olevan kaksoistarkkuuden liukulukumuodon (IEEE 754) vuoksi. Tämä voi johtaa tarkkuuden menetykseen ja odottamattomiin tuloksiin, kun käsitellään lukuja, jotka ylittävät sen suurimman turvallisen kokonaisluvun (Number.MAX_SAFE_INTEGER), joka on 2⁵³ - 1.

Tässä astuu kuvaan BigInt, sisäänrakennettu JavaScript-tietotyyppi, joka esiteltiin ES2020:ssa ja on suunniteltu erityisesti mielivaltaisen pituisten kokonaislukujen esittämiseen. BigInt mahdollistaa aritmeettisten operaatioiden suorittamisen erittäin suurilla luvuilla menettämättä tarkkuutta. Tämä avaa mahdollisuuksia laskutoimituksille esimerkiksi kryptografian, tieteellisen laskennan ja rahoitussovellusten aloilla, joissa tarkkuus on ensiarvoisen tärkeää.

Mikä on BigInt?

BigInt on primitiivinen tietotyyppi, joka edustaa kokonaislukuja, jotka ovat suurempia kuin mitä Number-tyyppi pystyy tarkasti käsittelemään. Toisin kuin Number-tyypillä, BigInt-arvoilla ei ole kiinteää kokoa, mikä tarkoittaa, että ne voivat kasvaa minkä tahansa kokonaisluvun mukaan, rajoitteena on vain saatavilla oleva muisti.

BigInt-arvojen luominen

JavaScriptissa on kaksi pääasiallista tapaa luoda BigInt-arvoja:

• n-kirjaimen lisääminen kokonaislukuliteraalin perään: Tämä on suoraviivaisin tapa. Lisää vain pääte 'n' luvun loppuun. Esimerkiksi: 12345678901234567890n.
• BigInt()-konstruktorin käyttäminen: Voit käyttää BigInt()-konstruktoria muuntaaksesi Number-arvon, merkkijonon tai toisen BigInt-arvon BigInt-arvoksi. Esimerkiksi: BigInt(12345) tai BigInt("12345678901234567890"). Huomaa, että liukuluvun muuntaminen BigInt-arvoksi katkaisee desimaaliosan; se ei pyöristä.

Esimerkki:

            
const largeNumberLiteral = 9007199254740991n; // Käyttäen 'n'-liitettä
const largeNumberConstructor = BigInt(9007199254740991); // Käyttäen BigInt()-konstruktoria
const stringBasedBigInt = BigInt("1234567890123456789012345"); // Luodaan merkkijonosta

console.log(largeNumberLiteral); // Tuloste: 9007199254740991n
console.log(largeNumberConstructor); // Tuloste: 9007199254740991n
console.log(stringBasedBigInt); // Tuloste: 1234567890123456789012345n

            

              
                Copy
              
            
          

BigInt-aritmetiikkaoperaatiot

BigInt-arvot tukevat standardeja aritmeettisia operaatioita, kuten yhteen-, vähennys-, kerto-, jako- ja potenssilaskua. On kuitenkin tärkeää pitää mielessä seuraavat seikat:

• Sekatyyppinen aritmetiikka ei ole sallittua: Et voi suoraan suorittaa aritmeettisia operaatioita BigInt- ja Number-arvojen välillä. Sinun on eksplisiittisesti muunnettava Number-arvot BigInt-arvoiksi käyttämällä BigInt()-konstruktoria ennen laskutoimitusten suorittamista. Tämä on suunnitteluvalinta, jolla pyritään estämään tahaton tarkkuuden menetys.
• Jakolaskun käyttäytyminen: BigInt-arvojen välinen jakolasku katkaisee tuloksen kohti nollaa hyläten kaikki murto-osat. Modulo-operaattorille (%) ei ole vastinetta, joka palauttaisi murto-osan jakojäännöksen.
• Vertailuoperaattorit: Standardit vertailuoperaattorit (==, ===, <, >, <=, >=) toimivat BigInt- ja Number-arvojen välillä. Huomaa, että == suorittaa tyyppimuunnoksen, kun taas === palauttaa false, jos vertaat BigInt-arvoa Number-arvoon.

Esimerkkejä aritmeettisista operaatioista

            
const a = 10n;
const b = 5n;
const c = 2;

console.log(a + b); // Tuloste: 15n (BigInt + BigInt)
console.log(a - b); // Tuloste: 5n (BigInt - BigInt)
console.log(a * b); // Tuloste: 50n (BigInt * BigInt)
console.log(a / b); // Tuloste: 2n (BigInt / BigInt, katkaisu kohti nollaa)
console.log(a ** b); // Tuloste: 100000n (BigInt-potenssilasku)

//console.log(a + c); // Tämä heittää TypeErrorin: Cannot mix BigInt and other types, use explicit conversions
console.log(a + BigInt(c)); // Tuloste: 12n (BigInt + BigIntiksi muunnettu Number)
console.log(a > BigInt(c)); // Tuloste: true (BigInt verrattuna BigIntiksi muunnettuun Numberiin)

console.log(10n == 10); // Tuloste: true
console.log(10n === 10); // Tuloste: false

            

              
                Copy
              
            
          

Jakojäännösoperaattori (%) ja BigInt-arvot

Jakojäännösoperaattori (%) ei toimi suoraan BigInt-arvojen kanssa. Vastaavan tuloksen saavuttamiseksi voit käyttää seuraavaa lähestymistapaa:

            
function bigIntModulo(dividend, divisor) {
  return dividend - (divisor * (dividend / divisor));
}

const dividend = 25n;
const divisor = 7n;

console.log(bigIntModulo(dividend, divisor)); // Tuloste: 4n

            

              
                Copy
              
            
          

BigInt-tyypin rajoitukset

Vaikka BigInt tarjoaa merkittäviä etuja, on tärkeää olla tietoinen sen rajoituksista:

• Ei desimaaliesitystä: BigInt-arvot voivat edustaa vain kokonaislukuja. Niitä ei voi käyttää liukulukuaritmetiikkaan tai desimaalipilkkuja sisältävien lukujen esittämiseen. Korkean tarkkuuden desimaalilaskentaan harkitse kirjastoja, kuten decimal.js tai big.js.
• Sekoittaminen Number-arvojen kanssa: Kuten aiemmin mainittiin, suorat aritmeettiset operaatiot BigInt- ja Number-arvojen välillä eivät ole sallittuja. Sinun on eksplisiittisesti muunnettava Number-arvot BigInt-arvoiksi, mikä voi lisätä koodin monimutkaisuutta.
• Suorituskyky: BigInt-operaatiot voivat olla hitaampia kuin standardit Number-operaatiot, erityisesti erittäin suurilla luvuilla. Tämä johtuu siitä, että BigInt-aritmetiikka vaatii monimutkaisempia algoritmeja ja muistinhallintaa. Ota suorituskykyvaikutukset huomioon, kun käytät BigInt-arvoja suorituskykykriittisissä sovelluksissa.
• JSON-sarjallistaminen: BigInt-arvoja ei voi suoraan sarjallistaa käyttämällä JSON.stringify()-metodia. BigInt-arvon suora sarjallistamisyritys johtaa TypeError-virheeseen. Sinun on muunnettava BigInt merkkijonoksi ennen sarjallistamista.

JSON-sarjallistamisen kiertotapa

Sarjallistaaksesi BigInt-arvoja JSON-muotoon voit käyttää toJSON-metodia tai muuntaa ne eksplisiittisesti merkkijonoiksi:

            
const bigIntValue = 12345678901234567890n;

// Tapa 1: toJSON-metodin käyttö
BigInt.prototype.toJSON = function() { return this.toString() };

const obj1 = { value: bigIntValue };
const jsonString1 = JSON.stringify(obj1);
console.log(jsonString1); // Tuloste: {"value":"12345678901234567890"}

// Tapa 2: Eksplisiittinen muunnos merkkijonoksi
const obj2 = { value: bigIntValue.toString() };
const jsonString2 = JSON.stringify(obj2);
console.log(jsonString2); // Tuloste: {"value":"12345678901234567890"}

//Jäsennellessä sinun on muunnettava arvo takaisin BigInt-arvoksi.
const parsedObj = JSON.parse(jsonString2, (key, value) => {
  if (typeof value === 'string' && /^[0-9]+$/.test(value)) {
    try {
      return BigInt(value);
    } catch (e) {
      return value; // Ei ole BigInt-merkkijono
    }
  }
  return value;
});

console.log(parsedObj.value); //Tuloste: 12345678901234567890n
console.log(typeof parsedObj.value); //Tuloste: bigint


            

              
                Copy
              
            
          

BigInt-tyypin käytännön sovelluskohteet

BigInt-arvot ovat arvokkaita tilanteissa, joissa tarkat laskutoimitukset suurilla kokonaisluvuilla ovat kriittisiä. Tässä muutamia merkittäviä käyttötapauksia:

• Kryptografia: Kryptografiset algoritmit sisältävät usein laskutoimituksia erittäin suurilla alkuluvuilla. BigInt-arvot ovat välttämättömiä näiden algoritmien tarkan toteutuksen kannalta. Esimerkkejä ovat RSA-salaus, Diffie-Hellman-avaimenvaihto ja elliptisen käyrän kryptografia. Esimerkiksi suurten alkulukujen generointi RSA:ta varten edellyttää erittäin suurten lukujen alkulukutestien tekemistä, mikä on tehtävä, jossa BigInt on ratkaisevan tärkeä.
• Rahoitussovellukset: Suurten rahasummien käsittely tai monimutkaisten taloudellisten laskelmien suorittaminen vaatii suurta tarkkuutta pyöristysvirheiden välttämiseksi. BigInt-arvoilla voidaan varmistaa rahallisten arvojen tarkka esitys, erityisesti järjestelmissä, jotka käsittelevät kansainvälisiä valuuttoja ja transaktioita. Kuvittele koron laskemista pitkällä aikavälillä erittäin suurelle lainalle; BigInt voi ylläpitää tarvittavan tarkkuuden.
• Tieteellinen laskenta: Tieteelliset simulaatiot ja laskelmat käsittelevät usein erittäin suuria tai erittäin pieniä lukuja. BigInt-arvoja voidaan käyttää suurten kokonaislukuarvojen esittämiseen tieteellisissä malleissa ja simulaatioissa. Esimerkkejä ovat kertomien laskeminen, hiukkasvuorovaikutusten simulointi ja tähtitieteellisten ilmiöiden mallintaminen.
• Lohkoketjuteknologia: Lohkoketjutransaktiot ja kryptografiset tiivistefunktiot tukeutuvat vahvasti suurten kokonaislukujen aritmetiikkaan. BigInt-arvoja käytetään esittämään transaktioiden määriä, lohkojen korkeuksia ja muita kriittisiä tietoja lohkoketjujärjestelmissä. Esimerkkinä Ethereum-lohkoketju, jossa kaasun hinnat ja transaktiomaksut ilmaistaan usein erittäin suurina kokonaislukuina.
• Korkean tarkkuuden laskenta: Mikä tahansa sovellus, joka vaatii tarkan kokonaislukuesityksen Number-tyypin rajojen ulkopuolella, voi hyötyä BigInt-tyypistä. Tähän sisältyvät sovellukset esimerkiksi lukuteorian, kombinatoriikan ja pelikehityksen aloilla.

BigInt ja selainyhteensopivuus

BigInt on suhteellisen uusi lisäys JavaScriptiin, joten on tärkeää ottaa selainyhteensopivuus huomioon, kun sitä käytetään projekteissa. Useimmat modernit selaimet tukevat BigInt-tyyppiä, mukaan lukien Chrome, Firefox, Safari ja Edge. Vanhemmat selaimet eivät kuitenkaan välttämättä tarjoa natiivia tukea. Voit tarkistaa yhteensopivuuden käyttämällä resursseja kuten caniuse.com.

Vanhempia selaimia kohdistavissa projekteissa saatat harkita polyfillin tai transpilaattorin, kuten Babelin, käyttöä BigInt-tuen tarjoamiseksi. Polyfill tarjoaa JavaScript-toteutuksen BigInt-tyypistä selaimille, jotka eivät tue sitä natiivisti, kun taas transpilaattori muuntaa BigInt-arvoja sisältävän koodisi vastaavaksi koodiksi, joka toimii vanhemmissa ympäristöissä.

Parhaat käytännöt BigInt-tyypin käyttöön

Jotta voit käyttää BigInt-arvoja tehokkaasti JavaScript-projekteissasi, harkitse seuraavia parhaita käytäntöjä:

• Käytä BigInt-tyyppiä vain tarvittaessa: Vältä BigInt-tyypin käyttöä, ellet erityisesti tarvitse esittää kokonaislukuja, jotka ovat suurempia kuin Number.MAX_SAFE_INTEGER, tai jos vaadit suurta tarkkuutta. BigInt-tyypin tarpeeton käyttö voi aiheuttaa suorituskykyrasitusta.
• Muunna Number-arvot eksplisiittisesti BigInt-arvoiksi: Muunna aina Number-arvot eksplisiittisesti BigInt-arvoiksi käyttämällä BigInt()-konstruktoria ennen aritmeettisten operaatioiden suorittamista. Tämä auttaa estämään tahattomia tyyppivirheitä ja varmistaa, että laskutoimituksesi suoritetaan oikein.
• Ole tietoinen jakolaskun käyttäytymisestä: Muista, että BigInt-arvojen välinen jakolasku katkaisee tuloksen kohti nollaa. Jos sinun tarvitsee käsitellä jakojäännöksiä, käytä bigIntModulo-funktiota tai vastaavaa lähestymistapaa.
• Harkitse suorituskykyvaikutuksia: BigInt-operaatiot voivat olla hitaampia kuin Number-operaatiot, erityisesti erittäin suurilla luvuilla. Testaa koodisi perusteellisesti tunnistaaksesi mahdolliset suorituskyvyn pullonkaulat ja optimoidaksesi BigInt-käyttösi.
• Käsittele JSON-sarjallistaminen huolellisesti: Muista muuntaa BigInt-arvot merkkijonoiksi ennen niiden sarjallistamista JSON-muotoon ja muunna ne takaisin BigInt-arvoiksi JSON-tietoja jäsentäessäsi.
• Käytä selkeitä ja kuvaavia muuttujien nimiä: Kun työskentelet BigInt-arvojen kanssa, käytä muuttujien nimiä, jotka osoittavat selvästi, että arvo on BigInt. Tämä voi parantaa koodin luettavuutta ja estää sekaannuksia. Käytä esimerkiksi nimiä kuten largeValueBigInt tai userIdBigInt.
• Dokumentoi koodisi: Lisää kommentteja koodiisi selittääksesi, miksi käytät BigInt-arvoja, ja selventääksesi BigInt-laskelmiesi mahdollisesti hämmentäviä näkökohtia.

Yhteenveto

JavaScriptin BigInt-tietotyyppi tarjoaa tehokkaan ratkaisun suurten kokonaislukujen laskentaan tarkkuudella. Ymmärtämällä sen ominaisuudet, rajoitukset ja parhaat käytännöt voit hyödyntää BigInt-arvoja tehokkaasti monenlaisissa sovelluksissa, kryptografiasta ja rahoitusmallinnuksesta tieteelliseen laskentaan ja lohkoketjuteknologiaan. Vaikka suorituskykyyn ja yhteensopivuuteen liittyy harkittavia seikkoja, tarkan suurten kokonaislukujen esityksen edut ovat usein haittoja suuremmat, erityisesti tilanteissa, joissa tarkkuus on ensiarvoisen tärkeää. Muista aina muuntaa Number- ja BigInt-tyyppien välillä eksplisiittisesti ja käsitellä JSON-sarjallistaminen huolellisesti odottamattomien virheiden välttämiseksi. JavaScriptin kehittyessä BigInt tulee epäilemättä olemaan yhä tärkeämmässä roolissa, antaen kehittäjille mahdollisuuden selviytyä monimutkaisista numeerisista haasteista luottavaisesti ja tarkasti.