JavaScript BigInt xotira tuzilishi: Katta sonlarni saqlashni optimallashtirish

JavaScript-dagi BigInt bu 2⁵³ - 1 dan katta butun sonlarni ifodalash usulini ta'minlovchi o'rnatilgan obyekt bo'lib, bu JavaScriptning Number turi bilan ishonchli ifodalashi mumkin bo'lgan maksimal xavfsiz butun sondir. Bu imkoniyat kriptografiya, moliyaviy hisob-kitoblar, ilmiy simulyatsiyalar va ma'lumotlar bazalarida katta identifikatorlar bilan ishlash kabi juda katta sonlar bilan aniq hisob-kitoblarni talab qiladigan dasturlar uchun juda muhimdir. Ushbu maqola JavaScript dvigatellari tomonidan BigInt qiymatlarini samarali boshqarish uchun qo'llaniladigan xotira tuzilishi va saqlashni optimallashtirish usullarini chuqur o'rganadi.

BigInt'ga kirish

BigInt paydo bo'lishidan oldin, JavaScript dasturchilari ko'pincha katta butun sonlar arifmetikasi uchun kutubxonalarga tayanishardi. Bu kutubxonalar funksional bo'lishiga qaramay, ko'pincha unumdorlikka salbiy ta'sir ko'rsatar va integratsiya murakkabliklarini keltirib chiqarardi. ECMAScript 2020 da taqdim etilgan BigInt JavaScript dvigateliga chuqur integratsiyalashgan mahalliy yechimni taklif etadi, bu esa unumdorlikni sezilarli darajada yaxshilaydi va dasturlash tajribasini osonlashtiradi.

Katta sonning, masalan, 100 ning faktorialini hisoblashingiz kerak bo'lgan vaziyatni ko'rib chiqing. Standart Number turidan foydalanish aniqlikni yo'qotishga olib keladi. BigInt yordamida siz bu qiymatni aniq hisoblab, ifodalashingiz mumkin:

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

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

JavaScript'da sonlarning xotirada ifodalanishi

BigIntning xotira tuzilishini o'rganishdan oldin, standart JavaScript sonlarining qanday ifodalanishini tushunish muhimdir. Number turi ikki marta aniqlikdagi 64 bitli ikkilik formatdan (IEEE 754) foydalanadi. Bu format ishora, daraja va mantissa (yoki kasr qismi) uchun bitlarni ajratadi. Bu ifodalanishi mumkin bo'lgan sonlarning keng doirasini ta'minlasa-da, juda katta butun sonlar uchun aniqlik borasida cheklovlarga ega.

Boshqa tomondan, BigInt boshqa yondashuvdan foydalanadi. U ma'lum miqdordagi bitlar bilan cheklanmagan. Buning o'rniga, u ixtiyoriy katta butun sonlarni saqlash uchun o'zgaruvchan uzunlikdagi ifodalashdan foydalanadi. Bu moslashuvchanlik xotirani boshqarish va unumdorlik bilan bog'liq o'ziga xos qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi.

BigInt xotira tuzilishi va saqlashni optimallashtirish

BigIntning o'ziga xos xotira tuzilishi implementatsiyaga bog'liq va turli JavaScript dvigatellarida (masalan, V8, SpiderMonkey, JavaScriptCore) farq qiladi. Biroq, samarali saqlashning asosiy tamoyillari bir xil bo'lib qoladi. Quyida BigIntlar odatda qanday saqlanishi haqida umumiy ma'lumot berilgan:

1. O‘zgaruvchan uzunlikdagi ifodalash

BigInt qiymatlari qat'iy o'lchamdagi butun sonlar sifatida saqlanmaydi. Buning o'rniga, ular kichikroq birliklar, ko'pincha 32-bitli yoki 64-bitli so'zlar ketma-ketligi sifatida ifodalanadi. Ishlatiladigan so'zlar soni sonning kattaligiga bog'liq. Bu BigIntga faqat mavjud xotira bilan cheklangan har qanday o'lchamdagi butun sonlarni ifodalash imkonini beradi.

Misol uchun, 12345678901234567890n sonini ko'rib chiqing. Bu sonni aniq ifodalash uchun 64 bitdan ko'proq joy kerak bo'ladi. BigInt ifodalanishi buni bir nechta 32-bitli yoki 64-bitli segmentlarga bo'lishi va har bir segmentni xotirada alohida so'z sifatida saqlashi mumkin. Keyin JavaScript dvigateli arifmetik amallarni bajarish uchun ushbu segmentlarni boshqaradi.

2. Ishorani ifodalash

BigIntning ishorasi (musbat yoki manfiy) saqlanishi kerak. Bu odatda BigIntning metama'lumotlari ichida yoki qiymatni saqlash uchun ishlatiladigan so'zlardan birida bitta bit yordamida amalga oshiriladi. Aniq usul ma'lum bir implementatsiyaga bog'liq.

3. Dinamik xotira ajratish

BigIntlar ixtiyoriy ravishda kattalashishi mumkinligi sababli, dinamik xotira ajratish muhim ahamiyatga ega. BigInt kattaroq qiymatni saqlash uchun ko'proq joy talab qilganda (masalan, ko'paytirishdan so'ng), JavaScript dvigateli kerak bo'lganda qo'shimcha xotira ajratadi. Ushbu dinamik ajratish dvigatelning xotira boshqaruvchisi tomonidan boshqariladi.

4. Saqlash samaradorligi usullari

JavaScript dvigatellari BigIntlarning saqlanishini va unumdorligini optimallashtirish uchun turli usullarni qo'llaydi. Ular quyidagilarni o'z ichiga oladi:

• Normallashtirish: Boshidagi nollarni olib tashlash. Agar BigInt so'zlar ketma-ketligi sifatida ifodalangan bo'lsa va ba'zi boshidagi so'zlar nol bo'lsa, xotirani tejash uchun bu so'zlarni olib tashlash mumkin.
• Ulashish: Agar bir nechta BigInt bir xil qiymatga ega bo'lsa, dvigatel xotira sarfini kamaytirish uchun asosiy xotira ifodasini ulashishi mumkin. Bu satrlarni internallashtirishga o'xshaydi, lekin sonli qiymatlar uchun.
• Yozishda nusxalash (Copy-on-Write): BigInt nusxalanganda, dvigatel darhol yangi nusxa yaratmasligi mumkin. Buning o'rniga, u yozishda nusxalash strategiyasidan foydalanadi, bunda nusxalardan biri o'zgartirilmaguncha asosiy xotira ulashiladi. Bu keraksiz xotira ajratish va nusxalashni oldini oladi.

5. Chiqindilarni yig'ish (Garbage Collection)

BigIntlar dinamik ravishda ajratilganligi sababli, chiqindilarni yig'ish endi ishlatilmayotgan xotirani qaytarib olishda muhim rol o'ynaydi. Chiqindilarni yig'uvchi endi erishib bo'lmaydigan BigInt obyektlarini aniqlaydi va ular bilan bog'liq xotirani bo'shatadi. Bu xotira sizib chiqishining oldini oladi va JavaScript dvigatelining samarali ishlashini ta'minlaydi.

Misol Implementatsiya (Konseptual)

Haqiqiy implementatsiya tafsilotlari murakkab va dvigatelga xos bo'lsa-da, biz asosiy tushunchalarni psevdokoddagi soddalashtirilgan misol bilan ko'rsatishimiz mumkin:

class BigInt {
  constructor(value) {
    this.sign = value < 0 ? -1 : 1;
    this.words = []; // 32-bitli yoki 64-bitli so'zlar massivi
    // Qiymatni so'zlarga o'tkazish va this.words'da saqlash
    // (Bu qism asosan implementatsiyaga bog'liq)
  }

  add(other) {
    // So'zlar massivi yordamida qo'shish mantiqining implementatsiyasi
    // (So'zlar orasidagi o'tkazishni boshqaradi)
  }

  toString() {
    // So'zlar massivini qayta satr ko'rinishiga o'tkazish
  }
}

Ushbu psevdokod BigInt sinfining asosiy tuzilishini, jumladan ishora va sonning kattaligini saqlash uchun so'zlar massivini ko'rsatadi. add metodi so'zlar bo'ylab iteratsiya qilib, ular orasidagi o'tkazishni boshqarib, qo'shishni amalga oshiradi. toString metodi so'zlarni odam o'qiy oladigan satr ko'rinishiga qaytaradi.

Unumdorlik masalalari

BigInt katta butun sonlar bilan ishlash uchun muhim funksionallikni ta'minlasa-da, uning unumdorlikka ta'siridan xabardor bo'lish juda muhim.

• Xotira sarfi: BigIntlar odatda standart Numberlarga qaraganda ko'proq xotira talab qiladi, ayniqsa juda katta qiymatlar uchun.
• Hisoblash xarajati: BigIntlardagi arifmetik amallar Numberlardagiga qaraganda sekinroq bo'lishi mumkin, chunki ular murakkabroq algoritmlar va xotirani boshqarishni o'z ichiga oladi.
• Turlarni o'zgartirish: BigInt va Number o'rtasida konvertatsiya qilish hisoblash jihatidan qimmatga tushishi va agar Number turi BigInt qiymatini aniq ifodalay olmasa, aniqlikni yo'qotishga olib kelishi mumkin.

Shuning uchun, BigIntni faqat Number turi doirasidan tashqaridagi sonlar bilan ishlash kerak bo'lganda oqilona ishlatish muhimdir. Unumdorlik muhim bo'lgan dasturlar uchun BigIntdan foydalanish ta'sirini baholash uchun kodingizni sinchkovlik bilan sinab ko'ring.

Qoʻllash holatlari va misollar

BigIntlar katta butun sonlar arifmetikasi talab qilinadigan turli stsenariylarda muhimdir. Quyida bir nechta misollar keltirilgan:

1. Kriptografiya

Kriptografiya algoritmlari ko'pincha juda katta butun sonlarni o'z ichiga oladi. BigInt ushbu algoritmlarni aniq va samarali amalga oshirish uchun juda muhimdir. Masalan, RSA shifrlash katta tub sonlar bilan modulli arifmetikaga tayanadi. BigInt JavaScript dasturchilariga RSA va boshqa kriptografik algoritmlarni to'g'ridan-to'g'ri brauzerda yoki Node.js kabi server tomonidagi JavaScript muhitlarida amalga oshirish imkonini beradi.

// Misol (Soddalashtirilgan RSA - Ishlab chiqarishda foydalanish uchun emas)

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. Moliyaviy hisob-kitoblar

Moliyaviy dasturlar ko'pincha katta sonlar bilan, ayniqsa valyutalar, foiz stavkalari yoki katta tranzaksiyalar bilan ishlashda aniq hisob-kitoblarni talab qiladi. BigInt bu hisob-kitoblarda aniqlikni ta'minlaydi va suzuvchi nuqtali sonlarda yuzaga kelishi mumkin bo'lgan yaxlitlash xatolarining oldini oladi.

// Misol: Murakkab foizlarni hisoblash

function compoundInterest(principal, rate, time, compoundingFrequency) {
  let principalBigInt = BigInt(principal * 100); // Suzuvchi nuqta muammolarini oldini olish uchun sentlarga o'tkazish
  let rateBigInt = BigInt(rate * 1000000); // Stavka kasr sifatida * 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. Ilmiy simulyatsiyalar

Fizika yoki astronomiya kabi ilmiy simulyatsiyalar ko'pincha juda katta yoki kichik sonlarni o'z ichiga oladi. BigInt bu sonlarni aniq ifodalash uchun ishlatilishi mumkin, bu esa yanada aniqroq simulyatsiyalarni amalga oshirish imkonini beradi.

4. Noyob identifikatorlar

Ma'lumotlar bazalari va taqsimlangan tizimlar ko'pincha bir nechta tizimlar bo'ylab noyoblikni ta'minlash uchun katta noyob identifikatorlardan foydalanadi. BigInt bu identifikatorlarni yaratish va saqlash uchun ishlatilishi mumkin, bu esa to'qnashuvlarning oldini oladi va kengaytirilishni ta'minlaydi. Masalan, Facebook yoki X (sobiq Twitter) kabi ijtimoiy media platformalari foydalanuvchi akkauntlari va postlarini aniqlash uchun katta butun sonlardan foydalanadi. Bu IDlar ko'pincha JavaScript-ning `Number` turi bilan ifodalanadigan maksimal xavfsiz butun sondan oshib ketadi.

BigInt'dan foydalanish bo'yicha eng yaxshi amaliyotlar

BigIntdan samarali foydalanish uchun quyidagi eng yaxshi amaliyotlarni hisobga oling:

• BigIntni faqat zarur bo'lganda ishlating: Number turi bilan aniq bajarilishi mumkin bo'lgan hisob-kitoblar uchun BigIntdan foydalanishdan saqlaning.
• Unumdorlikka e'tibor bering: BigIntning unumdorlikka ta'sirini baholash uchun kodingizni sinab ko'ring.
• Turlarni o'zgartirishni ehtiyotkorlik bilan bajaring: BigInt va Number o'rtasida konvertatsiya qilganda yuzaga kelishi mumkin bo'lgan aniqlikni yo'qotishdan xabardor bo'ling.
• BigInt literallaridan foydalaning: BigInt literallarini yaratish uchun n qo'shimchasidan foydalaning (masalan, 123n).
• Operatorlarning xatti-harakatini tushuning: Standart arifmetik operatorlar (+, -, *, /, %) BigIntlar bilan Numberlarga qaraganda boshqacha ishlashini yodda tuting. BigInt faqat boshqa BigIntlar yoki literallar bilan amallarni qo'llab-quvvatlaydi, aralash turlar bilan emas.

Muvofiqlik va brauzerlarni qo'llab-quvvatlash

BigInt barcha zamonaviy brauzerlar va Node.js tomonidan qo'llab-quvvatlanadi. Biroq, eski brauzerlar uni qo'llab-quvvatlamasligi mumkin. Uni ishlatishdan oldin BigInt mavjudligini tekshirish uchun funksiyani aniqlashdan foydalanishingiz mumkin:

if (typeof BigInt !== 'undefined') {
  // BigInt qo'llab-quvvatlanadi
  const largeNumber = 12345678901234567890n;
  console.log(largeNumber + 1n);
} else {
  // BigInt qo'llab-quvvatlanmaydi
  console.log('BigInt bu brauzerda qo'llab-quvvatlanmaydi.');
}

Eski brauzerlar uchun BigInt funksionalligini ta'minlash uchun polifillardan foydalanishingiz mumkin. Biroq, polifillar mahalliy implementatsiyalarga qaraganda unumdorlik cheklovlariga ega bo'lishi mumkin.

Xulosa

BigInt JavaScript-ga kuchli qo'shimcha bo'lib, dasturchilarga ixtiyoriy katta butun sonlarni aniqlik bilan boshqarish imkonini beradi. Uning xotira tuzilishi va saqlashni optimallashtirish usullarini tushunish samarali va unumdor kod yozish uchun juda muhimdir. BigIntni oqilona ishlatish va eng yaxshi amaliyotlarga rioya qilish orqali siz uning imkoniyatlaridan kriptografiya, moliya, ilmiy simulyatsiyalar va katta butun sonlar arifmetikasi muhim bo'lgan boshqa sohalarda keng ko'lamli muammolarni hal qilish uchun foydalanishingiz mumkin. JavaScript rivojlanishda davom etar ekan, BigInt shubhasiz murakkab va talabchan dasturlarni yaratishda tobora muhim rol o'ynaydi.

Keyingi o'rganish uchun

• ECMAScript spetsifikatsiyasi: BigIntning xatti-harakati va semantikasini chuqur tushunish uchun rasmiy ECMAScript spetsifikatsiyasini o'qing.
• JavaScript dvigateli ichki tuzilishi: BigIntning implementatsiya tafsilotlariga chuqurroq kirish uchun V8, SpiderMonkey va JavaScriptCore kabi JavaScript dvigatellarining manba kodini o'rganing.
• Unumdorlikni sinash: Turli stsenariylarda BigInt amallarining unumdorligini o'lchash va kodingizni shunga mos ravishda optimallashtirish uchun sinov vositalaridan foydalaning.
• Jamiyat forumlari: BigInt haqida boshqa dasturchilarning tajribasi va fikrlaridan o'rganish uchun forumlarda va onlayn resurslarda JavaScript hamjamiyati bilan muloqot qiling.