JavaScript BigInt atminties išdėstymas: didelių skaičių saugojimo optimizavimas

JavaScript BigInt yra įtaisytasis objektas, suteikiantis galimybę vaizduoti sveikuosius skaičius, didesnius nei 2⁵³ - 1, kuris yra didžiausias saugus sveikasis skaičius, kurį JavaScript gali patikimai pavaizduoti naudojant Number tipą. Ši galimybė yra labai svarbi programoms, kurioms reikalingi tikslūs skaičiavimai su labai dideliais skaičiais, pavyzdžiui, kriptografijoje, finansiniuose skaičiavimuose, mokslinėse simuliacijose ir dirbant su dideliais identifikatoriais duomenų bazėse. Šiame straipsnyje gilinamasi į atminties išdėstymą ir saugojimo optimizavimo metodus, kuriuos naudoja JavaScript varikliai efektyviam BigInt reikšmių apdorojimui.

Įvadas į BigInt

Prieš atsirandant BigInt, JavaScript programuotojai dažnai pasikliaudavo bibliotekomis, skirtomis didelių sveikųjų skaičių aritmetikai. Šios bibliotekos, nors ir funkcionalios, dažnai turėjo našumo pridėtinių išlaidų ir integracijos sudėtingumų. BigInt, pristatytas ECMAScript 2020, suteikia natūralų sprendimą, giliai integruotą į JavaScript variklį, siūlantį reikšmingus našumo patobulinimus ir sklandesnę programavimo patirtį.

Įsivaizduokite scenarijų, kai reikia apskaičiuoti didelio skaičiaus, tarkime 100, faktorialą. Naudojant standartinį Number tipą, būtų prarastas tikslumas. Su BigInt galite tiksliai apskaičiuoti ir pavaizduoti šią reikšmę:

function factorial(n) {
  let result = 1n;
  for (let i = 2n; i <= n; i++) {
    result *= i;
  }
  return result;
}

console.log(factorial(100n)); // Išvestis: 93326215443944152681699238856266700490715968264381621468592963895217599993229915608941463976156518286253697920827223758251185210916864000000000000000000000000n

Skaičių vaizdavimas atmintyje JavaScript

Prieš gilinantis į BigInt atminties išdėstymą, svarbu suprasti, kaip vaizduojami standartiniai JavaScript skaičiai. Number tipas naudoja dvigubo tikslumo 64 bitų dvejetainį formatą (IEEE 754). Šis formatas skiria bitus ženklui, laipsnio rodikliui ir mantisei (arba trupmenai). Nors tai suteikia platų vaizduojamų skaičių diapazoną, jis turi tikslumo apribojimų labai dideliems sveikiesiems skaičiams.

Kita vertus, BigInt naudoja kitokį metodą. Jis nėra apribotas fiksuotu bitų skaičiumi. Vietoj to, jis naudoja kintamo ilgio vaizdavimą neriboto dydžio sveikiesiems skaičiams saugoti. Šis lankstumas kartu atneša ir iššūkių, susijusių su atminties valdymu ir našumu.

BigInt atminties išdėstymas ir saugojimo optimizavimas

Konkretus BigInt atminties išdėstymas yra priklausomas nuo įgyvendinimo ir skiriasi skirtinguose JavaScript varikliuose (pvz., V8, SpiderMonkey, JavaScriptCore). Tačiau pagrindiniai efektyvaus saugojimo principai išlieka nuoseklūs. Štai bendra apžvalga, kaip paprastai saugomi BigInt:

1. Kintamo ilgio vaizdavimas

BigInt reikšmės nėra saugomos kaip fiksuoto dydžio sveikieji skaičiai. Vietoj to, jos vaizduojamos kaip mažesnių vienetų, dažnai 32 bitų arba 64 bitų žodžių, seka. Naudojamų žodžių skaičius priklauso nuo skaičiaus dydžio. Tai leidžia BigInt vaizduoti bet kokio dydžio sveikuosius skaičius, apribotus tik turima atmintimi.

Pavyzdžiui, apsvarstykite skaičių 12345678901234567890n. Šiam skaičiui tiksliai pavaizduoti prireiktų daugiau nei 64 bitų. BigInt vaizdavimas galėtų jį suskaidyti į kelis 32 bitų ar 64 bitų segmentus, kiekvieną segmentą saugant kaip atskirą žodį atmintyje. Tada JavaScript variklis valdo šiuos segmentus atlikdamas aritmetines operacijas.

2. Ženklo vaizdavimas

Reikia saugoti BigInt ženklą (teigiamas ar neigiamas). Paprastai tai daroma naudojant vieną bitą BigInt metaduomenyse arba viename iš žodžių, naudojamų reikšmei saugoti. Tikslus metodas priklauso nuo konkretaus įgyvendinimo.

3. Dinaminis atminties paskirstymas

Kadangi BigInt gali augti iki neriboto dydžio, dinaminis atminties paskirstymas yra būtinas. Kai BigInt reikia daugiau vietos didesnei reikšmei saugoti (pvz., po daugybos), JavaScript variklis prireikus skiria papildomos atminties. Šį dinaminį paskirstymą valdo variklio atminties tvarkyklė.

4. Saugojimo efektyvumo metodai

JavaScript varikliai naudoja įvairius metodus, siekdami optimizuoti BigInt saugojimą ir našumą. Tai apima:

• Normalizavimas: Nereikšminių nulių pašalinimas. Jei BigInt yra pavaizduotas kaip žodžių seka, o kai kurie iš pradinių žodžių yra nuliai, šie žodžiai gali būti pašalinti siekiant taupyti atmintį.
• Dalijimasis: Jei keli BigInt turi tą pačią reikšmę, variklis gali bendrinti pagrindinį atminties vaizdavimą, kad sumažintų atminties suvartojimą. Tai panašu į eilučių internavimą, bet taikoma skaitinėms reikšmėms.
• Kopijavimas rašant (Copy-on-Write): Kai BigInt yra kopijuojamas, variklis gali ne iš karto sukurti naujos kopijos. Vietoj to, jis naudoja kopijavimo rašant strategiją, kur pagrindinė atmintis yra bendrinama, kol viena iš kopijų yra modifikuojama. Taip išvengiama nereikalingo atminties paskirstymo ir kopijavimo.

5. Šiukšlių surinkimas (Garbage Collection)

Kadangi BigInt yra dinamiškai paskirstomi, šiukšlių surinkimas atlieka lemiamą vaidmenį atlaisvinant atmintį, kuri nebėra naudojama. Šiukšlių surinkėjas identifikuoja BigInt objektus, kurie nebėra pasiekiami, ir atlaisvina su jais susijusią atmintį. Tai apsaugo nuo atminties nutekėjimų ir užtikrina, kad JavaScript variklis galėtų toliau efektyviai veikti.

Pavyzdinis įgyvendinimas (konceptualus)

Nors tikrosios įgyvendinimo detalės yra sudėtingos ir priklauso nuo variklio, pagrindines koncepcijas galime iliustruoti supaprastintu pavyzdžiu pseudokode:

class BigInt {
  constructor(value) {
    this.sign = value < 0 ? -1 : 1;
    this.words = []; // 32 bitų arba 64 bitų žodžių masyvas
    // Konvertuoti reikšmę į žodžius ir išsaugoti this.words
    // (Ši dalis labai priklauso nuo įgyvendinimo)
  }

  add(other) {
    // Sudėties logikos įgyvendinimas naudojant žodžių masyvą
    // (Tvarko pernašą tarp žodžių)
  }

  toString() {
    // Konvertuoti žodžių masyvą atgal į eilutės vaizdą
  }
}

Šis pseudokodas demonstruoja pagrindinę BigInt klasės struktūrą, įskaitant ženklą ir žodžių masyvą skaičiaus dydžiui saugoti. add metodas atliktų sudėtį iteruodamas per žodžius ir tvarkydamas pernašą tarp jų. toString metodas konvertuotų žodžius atgal į žmogui skaitomą eilutės vaizdą.

Našumo aspektai

Nors BigInt suteikia būtiną funkcionalumą dideliems sveikiesiems skaičiams apdoroti, svarbu žinoti jo poveikį našumui.

• Atminties pridėtinės išlaidos: BigInt paprastai reikalauja daugiau atminties nei standartiniai Number, ypač labai didelėms reikšmėms.
• Skaičiavimo sąnaudos: Aritmetinės operacijos su BigInt gali būti lėtesnės nei su Number, nes jos apima sudėtingesnius algoritmus ir atminties valdymą.
• Tipų konvertavimas: Konvertavimas tarp BigInt ir Number gali būti skaičiavimo požiūriu brangus ir gali sukelti tikslumo praradimą, jei Number tipas negali tiksliai pavaizduoti BigInt reikšmės.

Todėl svarbu naudoti BigInt apdairiai, tik tada, kai būtina apdoroti skaičius, esančius už Number tipo ribų. Našumui kritinėse programose atidžiai testuokite savo kodą, kad įvertintumėte BigInt naudojimo poveikį.

Panaudojimo atvejai ir pavyzdžiai

BigInt yra būtinas įvairiuose scenarijuose, kur reikalinga didelių sveikųjų skaičių aritmetika. Štai keli pavyzdžiai:

1. Kriptografija

Kriptografijos algoritmai dažnai apima labai didelius sveikuosius skaičius. BigInt yra labai svarbus norint tiksliai ir efektyviai įgyvendinti šiuos algoritmus. Pavyzdžiui, RSA šifravimas remiasi moduline aritmetika su dideliais pirminiais skaičiais. BigInt leidžia JavaScript programuotojams įgyvendinti RSA ir kitus kriptografijos algoritmus tiesiogiai naršyklėje ar serverio pusės JavaScript aplinkose, tokiose kaip Node.js.

// Pavyzdys (supaprastintas RSA - nenaudoti gamybinėje aplinkoje)

function encrypt(message, publicKey, modulus) {
  let encrypted = 1n;
  let base = BigInt(message);
  let exponent = BigInt(publicKey);

  while (exponent > 0n) {
    if (exponent % 2n === 1n) {
      encrypted = (encrypted * base) % modulus;
    }
    base = (base * base) % modulus;
    exponent /= 2n;
  }

  return encrypted;
}

2. Finansiniai skaičiavimai

Finansinės programos dažnai reikalauja tikslių skaičiavimų su dideliais skaičiais, ypač dirbant su valiutomis, palūkanų normomis ar didelėmis transakcijomis. BigInt užtikrina tikslumą šiuose skaičiavimuose, išvengiant apvalinimo klaidų, kurios gali atsirasti su slankiojo kablelio skaičiais.

// Pavyzdys: sudėtinių palūkanų skaičiavimas

function compoundInterest(principal, rate, time, compoundingFrequency) {
  let principalBigInt = BigInt(principal * 100); // Konvertuoti į centus, kad būtų išvengta slankiojo kablelio problemų
  let rateBigInt = BigInt(rate * 1000000); // Palūkanų norma kaip trupmena * 1 000 000
  let frequencyBigInt = BigInt(compoundingFrequency);
  let timeBigInt = BigInt(time);

  let amount = principalBigInt * ((1000000n + (rateBigInt / frequencyBigInt)) ** (frequencyBigInt * timeBigInt)) / (1000000n ** (frequencyBigInt * timeBigInt));

  return Number(amount) / 100;
}

console.log(compoundInterest(1000, 0.05, 10, 12));

3. Mokslinės simuliacijos

Mokslinėse simuliacijose, tokiose kaip fizikos ar astronomijos, dažnai naudojami itin dideli ar maži skaičiai. BigInt gali būti naudojamas tiksliai pavaizduoti šiuos skaičius, leidžiant atlikti tikslesnes simuliacijas.

4. Unikalūs identifikatoriai

Duomenų bazės ir paskirstytosios sistemos dažnai naudoja didelius unikalius identifikatorius, siekdamos užtikrinti unikalumą keliose sistemose. BigInt gali būti naudojamas generuoti ir saugoti šiuos identifikatorius, išvengiant susidūrimų ir užtikrinant mastelį. Pavyzdžiui, socialinių tinklų platformos, tokios kaip Facebook ar X (buvęs Twitter), naudoja didelius sveikuosius skaičius vartotojų paskyroms ir įrašams identifikuoti. Šie ID dažnai viršija didžiausią saugų sveikąjį skaičių, kurį gali pavaizduoti JavaScript `Number` tipas.

Geriausios BigInt naudojimo praktikos

Norėdami efektyviai naudoti BigInt, atsižvelkite į šias geriausias praktikas:

• Naudokite BigInt tik tada, kai būtina: Venkite naudoti BigInt skaičiavimams, kuriuos galima tiksliai atlikti su Number tipu.
• Atsižvelkite į našumą: Testuokite savo kodą, kad įvertintumėte BigInt poveikį našumui.
• Atsargiai tvarkykite tipų konvertavimą: Būkite atsargūs dėl galimo tikslumo praradimo konvertuojant tarp BigInt ir Number.
• Naudokite BigInt literatus: Naudokite n priesagą BigInt literalams kurti (pvz., 123n).
• Supraskite operatorių elgseną: Žinokite, kad standartiniai aritmetiniai operatoriai (+, -, *, /, %) su BigInt elgiasi kitaip nei su Number. BigInt palaiko operacijas tik su kitais BigInt ar literalais, bet ne su mišriais tipais.

Suderinamumas ir naršyklių palaikymas

BigInt palaiko visos modernios naršyklės ir Node.js. Tačiau senesnės naršyklės gali jo nepalaikyti. Galite naudoti funkcijų aptikimą, kad patikrintumėte, ar BigInt yra prieinamas, prieš jį naudodami:

if (typeof BigInt !== 'undefined') {
  // BigInt palaikomas
  const largeNumber = 12345678901234567890n;
  console.log(largeNumber + 1n);
} else {
  // BigInt nepalaikomas
  console.log('BigInt is not supported in this browser.');
}

Senesnėms naršyklėms galite naudoti polifilus (polyfills), kad suteiktumėte BigInt funkcionalumą. Tačiau polifilai gali turėti našumo apribojimų, palyginti su natūraliais įgyvendinimais.

Išvada

BigInt yra galingas JavaScript priedas, leidžiantis programuotojams tiksliai apdoroti neriboto dydžio sveikuosius skaičius. Supratimas apie jo atminties išdėstymą ir saugojimo optimizavimo metodus yra labai svarbus rašant efektyvų ir našų kodą. Naudodami BigInt apdairiai ir laikydamiesi geriausių praktikų, galite išnaudoti jo galimybes sprendžiant platų problemų spektrą kriptografijoje, finansuose, mokslinėse simuliacijose ir kitose srityse, kur būtina didelių sveikųjų skaičių aritmetika. JavaScript toliau tobulėjant, BigInt neabejotinai atliks vis svarbesnį vaidmenį sudėtingų ir reiklių programų kūrime.

Tolimesnis tyrinėjimas

• ECMAScript specifikacija: Perskaitykite oficialią ECMAScript specifikaciją apie BigInt, kad detaliai suprastumėte jo elgseną ir semantiką.
• JavaScript variklio vidinė struktūra: Naršykite JavaScript variklių, tokių kaip V8, SpiderMonkey ir JavaScriptCore, išeities kodą, kad giliau pasinertumėte į BigInt įgyvendinimo detales.
• Našumo testavimas: Naudokite našumo testavimo įrankius, kad išmatuotumėte BigInt operacijų našumą skirtinguose scenarijuose ir atitinkamai optimizuotumėte savo kodą.
• Bendruomenės forumai: Bendraukite su JavaScript bendruomene forumuose ir internetiniuose resursuose, kad pasimokytumėte iš kitų programuotojų patirties ir įžvalgų apie BigInt.