JavaScript BigInt Operācijas: Lielu Skaitļu Matemātiskā Apstrāde

JavaScript vēsturiski ir saskāries ar problēmām, precīzi attēlojot ļoti lielus veselus skaitļus, jo tā Number tips ir dubultās precizitātes 64 bitu binārais formāts (IEEE 754). Šis ierobežojums kļūst problemātisks scenārijos, kas prasa precizitāti, kas pārsniedz to, ko Number var piedāvāt, piemēram, kriptogrāfijā, finanšu aprēķinos vai zinātniskās simulācijās. Ienāc BigInt, jauns primitīvs datu tips JavaScript, kas paredzēts veselu skaitļu attēlošanai ar patvaļīgu garumu.

Kas ir BigInt?

BigInt ir iebūvēts objekts, kas nodrošina veidu, kā attēlot veselus skaitļus, kas ir lielāki par 2⁵³ - 1, kas ir maksimālais drošais veselais skaitlis, ko JavaScript Number tips var precīzi attēlot. Bez BigInt aprēķinu veikšana ar skaitļiem, kas pārsniedz šo limitu, var radīt precizitātes zudumu un nepareizus rezultātus. BigInt atrisina šo problēmu, ļaujot strādāt ar patvaļīgi lieliem veseliem skaitļiem, nezaudējot precizitāti.

BigIntu izveide

Jūs varat izveidot BigInt divos veidos:

• Pievienojot n vesela skaitļa literāļa beigām.
• Izsaucot BigInt() konstruktoru.

Šeit ir daži piemēri:

const bigIntLiteral = 123456789012345678901234567890n;
const bigIntConstructor = BigInt(123456789012345678901234567890);
const bigIntFromString = BigInt("123456789012345678901234567890");

console.log(bigIntLiteral); // Output: 123456789012345678901234567890n
console.log(bigIntConstructor); // Output: 123456789012345678901234567890n
console.log(bigIntFromString); // Output: 123456789012345678901234567890n

Ņemiet vērā, ka jūs varat izveidot BigInt no skaitļa, numuru attēlojoša virknes vai tieši kā BigInt literāli. Mēģinot izveidot BigInt no peldošā komata skaitļa, tiks parādīts RangeError.

Pamata BigInt operācijas

BigInt atbalsta lielāko daļu standarta aritmētikas operatoru, ieskaitot saskaitīšanu, atņemšanu, reizināšanu, dalīšanu un atlikumu.

Aritmētiskie operatori

Šeit ir parādīts, kā izmantot pamata aritmētiskos operatorus ar BigInt:

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

console.log(a + b); // Output: 15n (Saskaitīšana)
console.log(a - b); // Output: 5n (Atņemšana)
console.log(a * b); // Output: 50n (Reizināšana)
console.log(a / b); // Output: 2n (Dalīšana - nogriež pret nulli)
console.log(a % b); // Output: 0n (Atlikums)
console.log(a ** b); // Output: 100000n (Kāpināšana)

Svarīga piezīme: Jūs nevarat jaukt BigInt un Numbers aritmētiskajās operācijās. Tas radīs TypeError. Pirms operācijas veikšanas jums ir skaidri jākonvertē Number uz BigInt.

const bigInt = 10n;
const number = 5;

// console.log(bigInt + number); // Izraisa TypeError
console.log(bigInt + BigInt(number)); // Output: 15n (Pareizi)

Salīdzināšanas operatori

BigInt var salīdzināt, izmantojot standarta salīdzināšanas operatorus:

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

console.log(a > b); // Output: true
console.log(a < b); // Output: false
console.log(a >= b); // Output: true
console.log(a <= b); // Output: false
console.log(a === b); // Output: false
console.log(a !== b); // Output: true

console.log(a == BigInt(10)); // Output: true
console.log(a === BigInt(10)); // Output: true

console.log(a == 10); // Output: true
console.log(a === 10); // Output: false

Lai gan jūs varat izmantot neobligāto vienlīdzību (==) salīdzināšanai starp BigInt un Number, parasti ieteicams izmantot stingro vienlīdzību (===) un skaidri konvertēt Number uz BigInt skaidrības labad un, lai izvairītos no negaidītas tipa pārvēršanas.

Bitu operācijas

BigInt arī atbalsta bitu operācijas:

const a = 10n; // 1010 bināri
const b = 3n;  // 0011 bināri

console.log(a & b); // Output: 2n (Bitu AND)
console.log(a | b); // Output: 11n (Bitu OR)
console.log(a ^ b); // Output: 9n (Bitu XOR)
console.log(~a);  // Output: -11n (Bitu NOT - divu papildinājums)
console.log(a << b); // Output: 80n (Pa kreisi pārbīdīšana)
console.log(a >> b); // Output: 1n (Pa labi pārbīdīšana)
console.log(a >>> b); // Izraisa TypeError (Neapzīmēta pārbīdīšana pa labi netiek atbalstīta BigInt)

Ņemiet vērā, ka neapzīmētais pa labi pārbīdīšanas operators (>>>) netiek atbalstīts BigInt, jo BigInt vienmēr ir ar zīmi.

Uzlabotas BigInt tehnikas

Darbs ar bibliotēkām

Lai gan BigInt nodrošina pamata celtniecības blokus lielu skaitļu aritmētikai, specializētu bibliotēku izmantošana var ievērojami uzlabot veiktspēju un nodrošināt papildu funkcionalitāti sarežģītākām operācijām. Šeit ir dažas ievērojamas bibliotēkas:

• jsbn: Ātra, portatīva lielo skaitļu matemātikas implementācija tīrā JavaScript.
• BigInteger.js: Cita populāra bibliotēka, kas piedāvā visaptverošu aritmētisko un bitu operāciju kopumu ar patvaļīga garuma veseliem skaitļiem.
• elliptic: Īpaši izstrādāta eliptiskās līknes kriptogrāfijai, kas lielā mērā paļaujas uz BigInt aritmētiku.

Šīs bibliotēkas bieži vien nodrošina optimizētus algoritmus un specializētas funkcijas, kas var būt būtiskas veiktspējai kritiski svarīgām lietojumprogrammām.

Veiktspējas apsvērumi

Lai gan BigInt nodrošina patvaļīgu precizitāti, ir svarīgi apzināties tā veiktspējas sekas. BigInt operācijas parasti ir lēnākas nekā Number operācijas, jo tās prasa vairāk atmiņas un aprēķinu resursu. Tāpēc ir svarīgi izmantot BigInt tikai tad, kad tas ir nepieciešams, un optimizēt savu kodu veiktspējai.

Šeit ir daži padomi BigInt veiktspējas optimizēšanai:

• Izvairieties no nevajadzīgām konvertēšanām: Minimizējiet konvertējumu skaitu starp Numbers un BigInts.
• Izmantojiet efektīvus algoritmus: Izvēlieties algoritmus, kas ir optimizēti lielu skaitļu aritmētikai. Bibliotēkas, piemēram, jsbn un BigInteger.js, bieži vien nodrošina ļoti optimizētas implementācijas.
• Profilējiet savu kodu: Izmantojiet JavaScript profilēšanas rīkus, lai identificētu veiktspējas pudeles kaklus un attiecīgi optimizētu savu kodu.

Tipa drošība

TypeScript nodrošina lielisku atbalstu BigInt, ļaujot jums nodrošināt tipu drošību un novērst kļūdas, kas saistītas ar BigInt un Numbers sajaukšanu. Jūs varat skaidri deklarēt mainīgos kā BigInt, lai nodrošinātu, ka tie satur tikai BigInt vērtības.

let bigIntValue: bigint = 12345678901234567890n;

// bigIntValue = 5; // TypeScript izraisīs kļūdu, jo mēģināt piešķirt skaitli bigint.

console.log(bigIntValue);

function addBigInts(a: bigint, b: bigint): bigint {
  return a + b;
}

console.log(addBigInts(10n, 20n)); // Output: 30n
// console.log(addBigInts(10, 20)); // TypeScript izraisīs kļūdu

Izmantojot TypeScript tipu sistēmu, jūs varat agrīnā izstrādes procesā atklāt iespējamās kļūdas un uzlabot sava koda uzticamību.

BigInt reālās pasaules lietojumi

BigInt ir neaizstājami dažādās jomās, kur ir būtiska lielo veselo skaitļu precīza apstrāde. Apskatīsim dažus nozīmīgus lietojumus:

Kriptogrāfija

Kriptogrāfija lielā mērā balstās uz lieliem primāriem skaitļiem un sarežģītām matemātiskām operācijām, kas prasa patvaļīgu precizitāti. BigInt ir neaizstājami, lai ieviestu kriptogrāfiskus algoritmus, piemēram, RSA, ECC (Eliptiskās līknes kriptogrāfija) un Diffie-Hellman atslēgu apmaiņu.

Piemērs: RSA šifrēšana

RSA ietver lielu primāro skaitļu ģenerēšanu un modulārās kāpināšanas veikšanu ar lieliem veseliem skaitļiem. BigInt tiek izmantoti šo primāro skaitļu attēlošanai un nepieciešamo aprēķinu veikšanai bez precizitātes zuduma. RSA drošība ir atkarīga no lielu skaitļu faktorizācijas grūtības, padarot BigInt par būtisku to ieviešanai.

Finanšu aprēķini

Finanšu aprēķini bieži vien ietver lielu naudas summu apstrādi vai sarežģītu aprēķinu veikšanu ar augstu precizitāti. BigInt var izmantot, lai precīzi attēlotu monetārās vērtības un izvairītos no noapaļošanas kļūdām, kas var rasties, izmantojot peldošā komata skaitļus. Tas ir īpaši svarīgi lietojumprogrammās, piemēram, grāmatvedības sistēmās, banku programmatūrā un finanšu modelēšanā.

Piemērs: Procentu aprēķināšana par lielu aizdevumu

Aprēķinot procentus par lielu aizdevumu, pat nelielas noapaļošanas kļūdas var uzkrāties laika gaitā un radīt ievērojamas neatbilstības. BigInt izmantošana, lai attēlotu pamatsummu, procentu likmi un citus attiecīgos vērtības, nodrošina, ka aprēķini ir precīzi un uzticami.

Zinātniskie aprēķini

Zinātniskās simulācijas un aprēķini bieži vien ietver ārkārtīgi lielu vai mazu skaitļu apstrādi. BigInt var izmantot, lai precīzi attēlotu šos skaitļus un veiktu nepieciešamos aprēķinus bez precizitātes zuduma. Tas ir īpaši svarīgi tādās jomās kā astronomija, fizika un ķīmija, kur precizitāte ir galvenā.

Piemērs: Atoma skaita aprēķināšana molā

Avogadro skaitlis (aptuveni 6.022 x 10²³) attēlo atomu skaitu vielas molā. Šis skaitlis ir krietni pārsniedz JavaScript Number tipa drošo veselo skaitļu limitu. BigInt izmantošana ļauj precīzi attēlot Avogadro skaitli un veikt aprēķinus, kas saistīti ar to, nezaudējot precizitāti.

Augstas precizitātes laika zīmogi

Izplatītās sistēmās vai augstas frekvences tirdzniecības lietojumprogrammās precīzi laika zīmogi ir būtiski, lai uzturētu datu konsekvenci un pareizi sakārtotu notikumus. BigInt var izmantot, lai attēlotu laika zīmogus ar nanosekundes vai pat pikosekundes precizitāti, nodrošinot, ka notikumi tiek sakārtoti precīzi, pat scenārijos ar ārkārtīgi augstu notikumu biežumu.

Blokķēžu tehnoloģija

Blokķēžu tehnoloģija lielā mērā balstās uz kriptogrāfiskām operācijām un lielu skaitļu aritmētiku. BigInt tiek izmantoti, lai ar augstu precizitāti attēlotu darījumu ID, bloku jaucējus un citas kriptogrāfiskās vērtības. Tos izmanto arī viedajos līgumos, lai veiktu sarežģītus aprēķinus un īstenotu finanšu noteikumus, nepaļaujoties uz peldošā komata skaitļiem.

Piemērs: Ethereum viedie līgumi

Ethereum viedie līgumi bieži vien ietver sarežģītus finanšu aprēķinus un digitālo aktīvu pārvaldību. BigInt izmantošana nodrošina, ka šie aprēķini tiek veikti precīzi un aktīvu vērtības tiek attēlotas bez noapaļošanas kļūdām.

Saderība ar pārlūkprogrammām

BigInt ir lieliska saderība ar visām modernajām pārlūkprogrammām, ieskaitot Chrome, Firefox, Safari un Edge. Tomēr, izstrādājot lietojumprogrammas, kurām nepieciešams atbalstīt vecākas pārlūkprogrammas, ir svarīgi ņemt vērā pārlūkprogrammu saderību. Jūs varat izmantot polifilus vai transpilatorus, piemēram, Babel, lai nodrošinātu BigInt atbalstu vecākām pārlūkprogrammām. Daudzām vecākām pārlūkprogrammām nav natīva BigInt atbalsta, taču ir pieejami polifili, lai pievienotu funkcionalitāti. Skatiet vietni CanIUse, lai iegūtu atjauninātu diagrammu.

Piemēram, Babel var transpilēt jūsu kodu, izmantojot BigInt, uz ekvivalentu kodu, kas darbojas pat vecākos JavaScript dzinējos.

Konvertēšana uz citiem tipiem un no tiem

Konvertēšana starp BigInt un citiem JavaScript tipiem prasa skaidru konvertēšanu. Šeit ir noteikumi:

• Uz Number: Izmantojiet Number(bigIntValue). Esiet piesardzīgs, jo tas var radīt precizitātes zudumu, ja BigInt ir pārāk liels.
• Uz String: Izmantojiet String(bigIntValue). Tas parasti ir droši un nodrošina BigInt virknes attēlojumu.
• No Number: Izmantojiet BigInt(numberValue). Tas ir ieteicams tikai veseliem skaitļiem. Peldošā komata skaitļi, kas piešķirti BigInt konstruktoram, izraisīs RangeError.
• No String: Izmantojiet BigInt(stringValue). Virknei ir jāattēlo vesels skaitlis, pretējā gadījumā radīsies SyntaxError.

let bigIntVal = 123456789012345678901234567890n;
let numVal = Number(bigIntVal); // Iespējama konvertēšana ar zudumu
let strVal = String(bigIntVal); // Droša konvertēšana uz virkni

console.log(numVal); // Rāda precizitātes zudumu.
console.log(strVal);

let newBigInt = BigInt(100); // Izveido no vesela skaitļa Number

console.log(newBigInt);

let newBigIntFromString = BigInt("98765432109876543210"); // no virknes

console.log(newBigIntFromString);

// BigInt(3.14); // izraisīs diapazona kļūdu

Sieti un apsvērumi

Lai gan BigInt ir neticami noderīgi, jums jāapzinās daži trūkumi:

• Tipu kļūdas: Atcerieties, ka BigInt nevar tieši jaukt ar Numbers aritmētiskajās operācijās.
• Veiktspēja: BigInt operācijas ir lēnākas nekā standarta Number operācijas.
• Precizitātes zudums: ļoti lielu BigIntu konvertēšana uz Numbers var radīt precizitātes zudumu Number tipa ierobežojumu dēļ.
• Standarta bibliotēkas atbalsta trūkums: Ne visas standarta JavaScript metodes ir tieši saderīgas ar BigIntiem. Jums var būt nepieciešams ieviest pielāgotas funkcijas vai izmantot bibliotēkas, kas skaidri atbalsta BigIntus.
• Operatoru prioritāte: Ņemiet vērā operatoru prioritāti, izmantojot bitu operācijas ar BigIntiem.

Secinājums

BigInt ir jaudīgs papildinājums JavaScript, kas ļauj izstrādātājiem strādāt ar patvaļīgi lieliem veseliem skaitļiem bez precizitātes zuduma. Šī spēja ir būtiska dažādās jomās, ieskaitot kriptogrāfiju, finanšu aprēķinus, zinātniskos aprēķinus un blokķēžu tehnoloģiju. Saprotot BigInt operāciju pamatus, veiktspējas apsvērumus un reālās pasaules lietojumus, izstrādātāji var izmantot šo datu tipu, lai veidotu stabilākas un uzticamākas lietojumprogrammas, kas prasa lielo skaitļu precīzu apstrādi. Lai gan pastāv daži veiktspējas un tipa apsvērumi, BigInt izmantošanas priekšrocības, kad tas ir nepieciešams, ir ievērojamas.

Tā kā JavaScript turpina attīstīties, BigInt neapšaubāmi spēlēs arvien svarīgāku lomu, ļaujot izstrādātājiem risināt sarežģītas problēmas, kas prasa patvaļīgu precizitātes aritmētiku. Pasaule arvien vairāk paļaujas uz aprēķiniem, un precizitāte ir ļoti svarīga.

Apsveriet šo visaptverošo ceļvedi kā sākumpunktu, iedziļinieties bibliotēkās un izpētiet radošus veidus, kā BigInt piemērot saviem projektiem.