一文搞懂JavaScript 新数据类型BigInt

BigInt数据类型是为了让JavaScript程序能表示超出Number 类型支持的数值范围。在对大整数进行数学运算时,以任意精度表示整数的能力尤为重要。有了BigInt,整数溢出将不再是一个问题。

此外,你可以安全地使用高精度时间戳、大整数 ID 等,而不必使用任何变通方法。BigInt目前处于 stage 3 提案阶段。一旦加入到规范中,它将成为JavaScript中的第二种数字数据类型,这将使支持的数据类型总数达到8个:

  • Boolean
  • Null
  • Undefined
  • Number
  • BigInt
  • String
  • Symbol
  • Object

在本文中,我们将仔细研究BigInt,并了解它如何帮助克服JavaScript中Number类型的限制。

问题

对于来自其他语言的程序员来说,JavaScript中缺乏显式整数类型常常令人困惑。许多编程语言支持多种数字类型,如float、double、integer和bignum,但JavaScript不是这样。在JavaScript中,所有数字都以双精度64位浮点格式表示,这是由IEEE 754-2008标准定义的。

在此标准下,无法精确表示的非常大的整数将自动四舍五入。准确地说,JavaScript中的Number 类型只能安全地表示 -9007199254740991 (-(253-1))和 9007199254740991 (253-1)之间的整数。任何超出此范围的整数值都可能丢失精度。

这个很容易验证,执行以下代码:

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console.log(9999999999999999);    // → 10000000000000000

该整数大于JavaScript可以用 Number原始类型表示的最大数字。因此,它被舍入了。意外的舍入可能会损害程序的可靠性和安全性。这是另一个例子:

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// 注意最后一位
9007199254740992 === 9007199254740993; // → true

JavaScript提供了Number.MAX_SAFE_INTEGER 常量,允许你在JavaScript中快速获得最大安全整数。类似地,你可以通过使用Number.MIN_SAFE_INTEGER常量获得最小安全整数:

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const minInt = Number.MIN_SAFE_INTEGER;

console.log(minInt); // → -9007199254740991

console.log(minInt - 5); // → -9007199254740996

// 注意它是如何输出与上面相同的值的
console.log(minInt - 4); // → -9007199254740996

解决办法

为了解决这些限制,一些JavaScript开发人员使用String类型表示大整数。例如,Twitter API在使用JSON响应时向对象添加了一个id的字符串版本。此外,还开发了一些库,如bignumber.js,以便更容易地处理大整数。

有了 BigInt,应用程序不再需要一个变通方法或库来安全地表示Number.MAX_SAFE_INTEGERNumber.Min_SAFE_INTEGER之外的整数。现在可以在标准JavaScript中执行对大整数的算术操作,而不会有丢失精度的风险。在第三方库上使用原生数据类型的好处是更好的运行时性能。

要创建BigInt,只需将n附加到整数的末尾。对比一下:

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console.log(9007199254740995n);    // → 9007199254740995n
console.log(9007199254740995); // → 9007199254740996

或者,你可以调用BigInt()构造函数:

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BigInt("9007199254740995");    // → 9007199254740995n

BigInt 字面量也可以写成二进制、八进制或十六进制形式:

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// 二进制
console.log(0b100000000000000000000000000000000000000000000000000011n);
// → 9007199254740995n

// 十六进制
console.log(0x20000000000003n);
// → 9007199254740995n

// 八进制
console.log(0o400000000000000003n);
// → 9007199254740995n

//注意,不支持旧式八进制语法
console.log(0400000000000000003n);
// → SyntaxError

记住,不能使用严格的相等运算符来比较BigInt和普通数字,因为它们不是同一类型的:

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console.log(10n === 10);    // → false

console.log(typeof 10n); // → bigint
console.log(typeof 10); // → number

相反,你可以使用相等运算符,它在处理操作数之前执行隐式类型转换:

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console.log(10n == 10);    // → true

所有算术运算符都可以在BigInt上使用,除了一元加号(+)运算符:

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10n + 20n;    // → 30n
10n - 20n; // → -10n
+10n; // → TypeError: Cannot convert a BigInt value to a number
-10n; // → -10n
10n * 20n; // → 200n
20n / 10n; // → 2n
23n % 10n; // → 3n
10n ** 3n; // → 1000n

let x = 10n;
++x; // → 11n
--x; // → 10n

不支持一元加号(+)运算符的原因是,有些程序可能依赖于这样的结果:+总是产生Number类型的值,或者抛出异常。改变+ 的行为也会破坏asm.js代码。

当然,当与BigInt操作数一起使用时,算术运算符应该返回一个BigInt值。因此,除法(/)运算符的结果会自动四舍五入到最接近的整数。例如:

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25 / 10;      // → 2.5
25n / 10n; // → 2n

隐式类型转换

因为隐式类型转换可能丢失信息,所以不允许BigIntNumber之间的混合操作。当混合使用大整数和浮点数时,结果值可能无法用BigIntNumber准确表示。看看下面的例子:

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(9007199254740992n + 1n) + 0.5

这个表达式的结果在BigIntNumber的范围之外。带有小数部分的Number不能准确地转换为BigInt。大于253BigInt不能准确转换为Number

由于这个限制,不能使用NumberBigInt操作数的组合来执行算术运算。你也不能将 BigInt传递给Web API和期望Number类型参数的内置JavaScript函数。试图这样做会导致TypeError:

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10 + 10n;    // → TypeError
Math.max(2n, 4n, 6n); // → TypeError

注意,关系运算符不遵循此规则,如下例所示:

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10n > 5;    // → true

如果希望使用BigIntNumber执行算术计算,首先需要确定应该在哪个域中执行操作。为此,只需通过调用Number()BigInt()来转换操作数:

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BigInt(10) + 10n;    // → 20n
// or
10 + Number(10n); // → 20

当遇到Boolean上下文时,BigInt被视为类似于Number。换句话说,只要不是0nBigInt就被认为是一个布尔真值:

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if (5n) {
// 这个代码块将被执行
}

if (0n) {
// 但这个不会
}

BigIntNumber进行排序时,不会发生隐式类型转换:

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const arr = [3n, 4, 2, 1n, 0, -1n];

arr.sort(); // → [-1n, 0, 1n, 2, 3n, 4]

按位运算符如|, &, <<, >>^ 操作 BigIntNumber类似。负数被解释为无穷长二进制补码。不允许混合操作数。以下是一些例子:

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90 | 115;      // → 123
90n | 115n; // → 123n
90n | 115; // → TypeError

BigInt 构造函数

与其他基本类型一样,可以使用构造函数创建BigInt。如果可能,传递给BigInt的参数会自动转换为BigInt:

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BigInt("10");    // → 10n
BigInt(10); // → 10n
BigInt(true); // → 1n

无法转换的数据类型和值会抛出异常:

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BigInt(10.2);     // → RangeError
BigInt(null); // → TypeError
BigInt("abc"); // → SyntaxError

你可以直接对通过BigInt 构造函数创建的变量执行算术运算:

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BigInt(10) * 10n;    // → 100n

当用作严格相等运算符的操作数时,使用构造函数创建的BigInt操作数与常规操作数类似:

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BigInt(true) === 1n;    // → true

库函数

JavaScript提供了两个库函数来把BigInt值表示为有符号或无符号整数:

  • BigInt.asUintN(width, BigInt): 包装一个介于 0 和 2width-1之间的 BigInt
  • BigInt.asIntN(width, BigInt): 包装一个介于 -2width-1 和2width-1-1之间的BigInt

这些函数在执行64位算术操作时特别有用。这样你就可以保持在预定的范围内。

浏览器支持及转换

在撰写本文时,Chrome +67和Opera +54完全支持BigInt 数据类型。不幸的是,Edge和Safari还没有实现它。火狐默认不支持BigInt ,但可以通过在about:config中将javascript.options.bigint设置为true来启用。支持的浏览器的最新列表可以在Can I use…上找到。

不幸的是,转换BigInt 是一个极其复杂的过程,这会导致严重的运行时性能损失。也不可能直接填充BigInt ,因为该提议改变了几个现有操作符的行为。目前,更好的选择是使用JSBI库,它是BigInt 建议的纯JavaScript 实现。

这个库提供了一个与内置BigInt 行为完全相同的API。下面是使用JSBI的方法:

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import JSBI from './jsbi.mjs';

const b1 = JSBI.BigInt(Number.MAX_SAFE_INTEGER);
const b2 = JSBI.BigInt('10');

const result = JSBI.add(b1, b2);

console.log(String(result)); // → '9007199254741001'

使用JSBI的一个优点是,一旦浏览器支持得到改进,你就不需要重写代码了。相反,您可以使用babel plugin将你的JSBI代码自动编译成本地的BigInt 代码。此外,JSBI的性能与内置的BigInt 实现相当。你可以期待更广泛的浏览器支持BigInt

结论

BigInt是一种新的数据类型,用于当整数值大于Number 数据类型支持的范围时。这种数据类型允许我们安全地对大整数执行算术操作,表示高精度时间戳,使用大整数 ID 等等,而不需要使用库。

重要的是要记住,不能使用NumberBigInt操作数的组合来执行算术运算。你需要通过显式转换操作数来确定操作应该在哪个域中执行。此外,出于兼容性的原因,不允许在BigInt上使用一元加号(+)操作符。

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Kayson Li wechat
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