JavaScript BigInt atmiņas izkārtojums: lielu skaitļu glabāšanas optimizācija

JavaScript BigInt ir iebūvēts objekts, kas nodrošina veidu, kā attēlot veselus skaitļus, kas lielāki par 2⁵³ - 1, kas ir maksimālais drošais veselais skaitlis, ko JavaScript var uzticami attēlot ar Number tipu. Šī spēja ir būtiska lietojumprogrammām, kurām nepieciešami precīzi aprēķini ar ļoti lieliem skaitļiem, piemēram, kriptogrāfijā, finanšu aprēķinos, zinātniskās simulācijās un lielu identifikatoru apstrādē datu bāzēs. Šajā rakstā aplūkotas atmiņas izkārtojuma un glabāšanas optimizācijas metodes, ko JavaScript dzinēji izmanto, lai efektīvi apstrādātu BigInt vērtības.

Ievads par BigInt

Pirms BigInt ieviešanas JavaScript izstrādātāji bieži paļāvās uz bibliotēkām, lai veiktu aritmētiku ar lieliem veseliem skaitļiem. Šīs bibliotēkas, lai arī funkcionālas, bieži vien radīja veiktspējas zudumus un integrācijas sarežģījumus. BigInt, kas ieviests ECMAScript 2020, nodrošina natīvu risinājumu, kas ir dziļi integrēts JavaScript dzinējā, piedāvājot ievērojamus veiktspējas uzlabojumus un vienmērīgāku izstrādes pieredzi.

Apsveriet scenāriju, kurā jums ir jāaprēķina liela skaitļa, piemēram, 100, faktoriāls. Standarta Number tipa izmantošana radītu precizitātes zudumu. Ar BigInt jūs varat precīzi aprēķināt un attēlot šo vērtību:

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

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

Skaitļu attēlojums atmiņā JavaScript

Pirms iedziļināties BigInt atmiņas izkārtojumā, ir svarīgi saprast, kā tiek attēloti standarta JavaScript skaitļi. Number tips izmanto dubultas precizitātes 64 bitu bināro formātu (IEEE 754). Šis formāts piešķir bitus zīmei, eksponentam un mantisai (jeb daļai). Lai gan tas nodrošina plašu attēlojamo skaitļu diapazonu, tam ir ierobežojumi attiecībā uz precizitāti ļoti lieliem veseliem skaitļiem.

Savukārt BigInt izmanto atšķirīgu pieeju. To neierobežo fiksēts bitu skaits. Tā vietā tas izmanto mainīga garuma attēlojumu, lai glabātu patvaļīgi lielus veselus skaitļus. Šī elastība nāk ar saviem izaicinājumiem, kas saistīti ar atmiņas pārvaldību un veiktspēju.

BigInt atmiņas izkārtojums un glabāšanas optimizācija

Konkrētais BigInt atmiņas izkārtojums ir atkarīgs no implementācijas un atšķiras dažādos JavaScript dzinējos (piem., V8, SpiderMonkey, JavaScriptCore). Tomēr efektīvas glabāšanas pamatprincipi paliek nemainīgi. Šeit ir vispārīgs pārskats par to, kā BigInt parasti tiek glabāti:

1. Mainīga garuma attēlojums

BigInt vērtības netiek glabātas kā fiksēta izmēra veseli skaitļi. Tā vietā tās tiek attēlotas kā mazāku vienību secība, bieži vien 32 bitu vai 64 bitu vārdi. Izmantoto vārdu skaits ir atkarīgs no skaitļa lieluma. Tas ļauj BigInt attēlot jebkura izmēra veselus skaitļus, ko ierobežo tikai pieejamā atmiņa.

Piemēram, apsveriet skaitli 12345678901234567890n. Lai precīzi attēlotu šo skaitli, būtu nepieciešams vairāk nekā 64 biti. BigInt attēlojums to varētu sadalīt vairākos 32 bitu vai 64 bitu segmentos, katru segmentu glabājot kā atsevišķu vārdu atmiņā. Pēc tam JavaScript dzinējs pārvalda šos segmentus, lai veiktu aritmētiskās darbības.

2. Zīmes attēlojums

Ir nepieciešams saglabāt BigInt zīmi (pozitīvu vai negatīvu). To parasti veic, izmantojot vienu bitu BigInt metadatos vai vienā no vārdiem, kas tiek izmantoti vērtības glabāšanai. Precīza metode ir atkarīga no konkrētās implementācijas.

3. Dinamiskā atmiņas piešķiršana

Tā kā BigInt var kļūt patvaļīgi lieli, dinamiskā atmiņas piešķiršana ir būtiska. Kad BigInt nepieciešams vairāk vietas, lai saglabātu lielāku vērtību (piemēram, pēc reizināšanas), JavaScript dzinējs pēc nepieciešamības piešķir papildu atmiņu. Šo dinamisko piešķiršanu pārvalda dzinēja atmiņas pārvaldnieks.

4. Glabāšanas efektivitātes metodes

JavaScript dzinēji izmanto dažādas metodes, lai optimizētu BigInt glabāšanu un veiktspēju. Tās ietver:

• Normalizācija: Vadošo nuļļu noņemšana. Ja BigInt ir attēlots kā vārdu secība un daži no vadošajiem vārdiem ir nulles, šos vārdus var noņemt, lai ietaupītu atmiņu.
• Koplietošana: Ja vairākiem BigInt ir viena un tā pati vērtība, dzinējs var koplietot pamatā esošo atmiņas attēlojumu, lai samazinātu atmiņas patēriņu. Tas ir līdzīgi virkņu internēšanai, bet attiecas uz skaitliskām vērtībām.
• Kopēt-pēc-rakstīšanas (Copy-on-Write): Kad BigInt tiek kopēts, dzinējs varētu nekavējoties neizveidot jaunu kopiju. Tā vietā tas izmanto "kopēt-pēc-rakstīšanas" stratēģiju, kurā pamatā esošā atmiņa tiek koplietota, līdz viena no kopijām tiek modificēta. Tas ļauj izvairīties no nevajadzīgas atmiņas piešķiršanas un kopēšanas.

5. Atkritumu savākšana (Garbage Collection)

Tā kā BigInt tiek piešķirti dinamiski, atkritumu savākšanai ir izšķiroša loma, atbrīvojot atmiņu, kas vairs netiek izmantota. Atkritumu savācējs identificē BigInt objektus, kas vairs nav sasniedzami, un atbrīvo saistīto atmiņu. Tas novērš atmiņas noplūdes un nodrošina, ka JavaScript dzinējs var turpināt darboties efektīvi.

Implementācijas piemērs (konceptuāls)

Lai gan faktiskās implementācijas detaļas ir sarežģītas un atkarīgas no dzinēja, mēs varam ilustrēt pamatkoncepcijas ar vienkāršotu piemēru pseidokodā:

class BigInt {
  constructor(value) {
    this.sign = value < 0 ? -1 : 1;
    this.words = []; // 32 bitu vai 64 bitu vārdu masīvs
    // Pārveidot vērtību par vārdiem un saglabāt this.words
    // (Šī daļa ir ļoti atkarīga no implementācijas)
  }

  add(other) {
    // Saskaitīšanas loģikas implementācija, izmantojot vārdu masīvu
    // (Apstrādā pārnesi starp vārdiem)
  }

  toString() {
    // Pārveidot vārdu masīvu atpakaļ par virknes attēlojumu
  }
}

Šis pseidokods demonstrē BigInt klases pamatstruktūru, ieskaitot zīmi un vārdu masīvu skaitļa lieluma glabāšanai. Metode add veiktu saskaitīšanu, iterējot cauri vārdiem un apstrādājot pārnesi starp tiem. Metode toString pārveidotu vārdus atpakaļ uz cilvēkam lasāmu virknes attēlojumu.

Veiktspējas apsvērumi

Lai gan BigInt nodrošina būtisku funkcionalitāti lielu veselu skaitļu apstrādei, ir svarīgi apzināties tā ietekmi uz veiktspēju.

• Atmiņas papildu izmaksas: BigInt parasti prasa vairāk atmiņas nekā standarta Number, īpaši ļoti lielām vērtībām.
• Aprēķinu izmaksas: Aritmētiskās operācijas ar BigInt var būt lēnākas nekā ar Number, jo tās ietver sarežģītākus algoritmus un atmiņas pārvaldību.
• Tipu konvertēšana: Konvertēšana starp BigInt un Number var būt skaitļošanas ziņā dārga un var novest pie precizitātes zuduma, ja Number tips nevar precīzi attēlot BigInt vērtību.

Tādēļ ir svarīgi lietot BigInt apdomīgi, tikai tad, kad tas ir nepieciešams, lai apstrādātu skaitļus, kas ir ārpus Number tipa diapazona. Veiktspējas ziņā kritiskām lietojumprogrammām rūpīgi testējiet savu kodu, lai novērtētu BigInt lietošanas ietekmi.

Lietošanas gadījumi un piemēri

BigInt ir būtiski dažādos scenārijos, kur nepieciešama liela veselu skaitļu aritmētika. Šeit ir daži piemēri:

1. Kriptogrāfija

Kriptogrāfijas algoritmi bieži ietver ļoti lielus veselus skaitļus. BigInt ir izšķiroši svarīgs, lai šos algoritmus implementētu precīzi un efektīvi. Piemēram, RSA šifrēšana balstās uz modulāro aritmētiku ar lieliem pirmskaitļiem. BigInt ļauj JavaScript izstrādātājiem implementēt RSA un citus kriptogrāfijas algoritmus tieši pārlūkprogrammā vai servera puses JavaScript vidēs, piemēram, Node.js.

// Piemērs (Vienkāršots RSA - Nav paredzēts produkcijai)

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. Finanšu aprēķini

Finanšu lietojumprogrammas bieži prasa precīzus aprēķinus ar lieliem skaitļiem, īpaši strādājot ar valūtām, procentu likmēm vai lieliem darījumiem. BigInt nodrošina precizitāti šajos aprēķinos, izvairoties no noapaļošanas kļūdām, kas var rasties ar peldošā komata skaitļiem.

// Piemērs: Salikto procentu aprēķināšana

function compoundInterest(principal, rate, time, compoundingFrequency) {
  let principalBigInt = BigInt(principal * 100); // Pārveido centos, lai izvairītos no peldošā komata problēmām
  let rateBigInt = BigInt(rate * 1000000); // Likme kā daļa * 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. Zinātniskās simulācijas

Zinātniskās simulācijas, piemēram, fizikā vai astronomijā, bieži ietver ārkārtīgi lielus vai mazus skaitļus. BigInt var izmantot, lai precīzi attēlotu šos skaitļus, nodrošinot precīzākas simulācijas.

4. Unikālie identifikatori

Datu bāzes un sadalītās sistēmas bieži izmanto lielus unikālos identifikatorus, lai nodrošinātu unikalitāti vairākās sistēmās. BigInt var izmantot, lai ģenerētu un glabātu šos identifikatorus, izvairoties no sadursmēm un nodrošinot mērogojamību. Piemēram, sociālo mediju platformas, piemēram, Facebook vai X (agrāk Twitter), izmanto lielus veselus skaitļus, lai identificētu lietotāju kontus un ierakstus. Šie ID bieži pārsniedz maksimālo drošo veselo skaitli, ko var attēlot ar JavaScript `Number` tipu.

Labākā prakse BigInt lietošanai

Lai efektīvi izmantotu BigInt, ievērojiet šādas labākās prakses:

• Lietojiet BigInt tikai tad, kad tas ir nepieciešams: Izvairieties no BigInt lietošanas aprēķiniem, kurus var precīzi veikt ar Number tipu.
• Pievērsiet uzmanību veiktspējai: Testējiet savu kodu, lai novērtētu BigInt ietekmi uz veiktspēju.
• Rūpīgi veiciet tipu konvertēšanu: Apzinieties iespējamo precizitātes zudumu, konvertējot starp BigInt un Number.
• Izmantojiet BigInt literāļus: Izmantojiet n sufiksu, lai izveidotu BigInt literāļus (piem., 123n).
• Izprotiet operatoru darbību: Apzinieties, ka standarta aritmētiskie operatori (+, -, *, /, %) ar BigInt darbojas atšķirīgi nekā ar Number. BigInt atbalsta operācijas tikai ar citiem BigInt vai literāļiem, nevis ar jauktiem tipiem.

Saderība un pārlūkprogrammu atbalsts

BigInt atbalsta visas modernās pārlūkprogrammas un Node.js. Tomēr vecākas pārlūkprogrammas to var neatbalstīt. Jūs varat izmantot funkciju noteikšanu, lai pārbaudītu, vai BigInt ir pieejams, pirms to lietojat:

if (typeof BigInt !== 'undefined') {
  // BigInt tiek atbalstīts
  const largeNumber = 12345678901234567890n;
  console.log(largeNumber + 1n);
} else {
  // BigInt netiek atbalstīts
  console.log('Šajā pārlūkprogrammā BigInt netiek atbalstīts.');
}

Vecākām pārlūkprogrammām varat izmantot poliaizpildes (polyfills), lai nodrošinātu BigInt funkcionalitāti. Tomēr poliaizpildēm var būt veiktspējas ierobežojumi salīdzinājumā ar natīvajām implementācijām.

Noslēgums

BigInt ir spēcīgs papildinājums JavaScript, kas ļauj izstrādātājiem precīzi apstrādāt patvaļīgi lielus veselus skaitļus. Izpratne par tā atmiņas izkārtojumu un glabāšanas optimizācijas metodēm ir būtiska, lai rakstītu efektīvu un veiktspējīgu kodu. Apdomīgi lietojot BigInt un ievērojot labāko praksi, jūs varat izmantot tā iespējas, lai atrisinātu plašu problēmu loku kriptogrāfijā, finansēs, zinātniskās simulācijās un citās jomās, kur liela veselu skaitļu aritmētika ir būtiska. Tā kā JavaScript turpina attīstīties, BigInt neapšaubāmi spēlēs arvien nozīmīgāku lomu sarežģītu un prasīgu lietojumprogrammu izveidē.

Tālākā izpēte

• ECMAScript specifikācija: Izlasiet oficiālo ECMAScript specifikāciju par BigInt, lai iegūtu detalizētu izpratni par tā darbību un semantiku.
• JavaScript dzinēju iekšējā darbība: Izpētiet JavaScript dzinēju, piemēram, V8, SpiderMonkey un JavaScriptCore, pirmkodu, lai dziļāk iedziļinātos BigInt implementācijas detaļās.
• Veiktspējas testēšana: Izmantojiet testēšanas rīkus, lai izmērītu BigInt operāciju veiktspēju dažādos scenārijos un atbilstoši optimizētu savu kodu.
• Kopienas forumi: Sazinieties ar JavaScript kopienu forumos un tiešsaistes resursos, lai mācītos no citu izstrādātāju pieredzes un atziņām par BigInt.