JS `BigInt` 在加密货币、高精度计算中的应用

各位朋友，晚上好！今天咱们来聊聊 JavaScript 中的 BigInt，这玩意儿在加密货币和高精度计算领域可是个宝贝。别看名字挺唬人，其实用起来也没那么复杂，我尽量用大白话给大家讲明白。

一、 啥是 BigInt？ 为什么要它？

首先，得说说 JavaScript 里的数字。以前，JavaScript 只能精确表示 -2^53 + 1 到 2^53 - 1 之间的整数，也就是 Number 类型的 Number.MAX_SAFE_INTEGER 和 Number.MIN_SAFE_INTEGER。超过这个范围，精度就没法保证了，会出现一些奇奇怪怪的现象。不信？试试看：

console.log(Number.MAX_SAFE_INTEGER); // 9007199254740991
console.log(Number.MAX_SAFE_INTEGER + 1); // 9007199254740992
console.log(Number.MAX_SAFE_INTEGER + 2); // 9007199254740992  <- 啥？
console.log(Number.MAX_SAFE_INTEGER + 3); // 9007199254740994

你看，加 2 之后居然和加 1 的结果一样了！这是因为 JavaScript 的 Number 类型是用双精度浮点数来表示的，超过安全范围就没法精确表示了。

这在很多场景下是不能接受的。比如：

• 加密货币： 加密货币的交易金额、账户余额，那都是动辄几十上百位的数字，精度稍微有点偏差，你的比特币可能就凭空消失了，这谁受得了？
• 高精度计算： 科学计算、金融计算，对精度要求非常高，差一点点结果就谬以千里。
• 大整数 ID： 一些系统用超长的整数作为 ID，Number 类型也hold不住。

所以，我们需要一种能够精确表示任意大小整数的类型，BigInt 就应运而生了。

二、 BigInt 怎么用？

BigInt 的用法也很简单，有两种方式：

1. 在数字后面加 n：

   const bigNumber = 12345678901234567890n;
   console.log(typeof bigNumber); // "bigint"

2. 使用 BigInt() 函数：

   const bigNumber2 = BigInt(12345678901234567890);
   const bigNumber3 = BigInt("12345678901234567890"); // 从字符串转换
   console.log(typeof bigNumber2); // "bigint"
   console.log(typeof bigNumber3); // "bigint"

注意，BigInt() 函数可以接受数字或者字符串作为参数，但是不能接受小数。

三、 BigInt 的运算

BigInt 支持大部分常用的算术运算符，比如 +、-、*、/、%、**。

const a = 12345678901234567890n;
const b = 9876543210987654321n;

console.log(a + b); // 13333333333333333311n
console.log(a * b); // 1219326311126352690219326311126352690n
console.log(a / b); // 1n  (注意，结果是整数，会截断小数部分)
console.log(a % b); // 12345678901234567890n

console.log(a ** 2n); // 152415787532388367501905199875019052100n

重要的事情说三遍：

• BigInt 只能和 BigInt 运算！
• BigInt 只能和 BigInt 运算！
• BigInt 只能和 BigInt 运算！

不能直接和 Number 类型的值进行运算，否则会报错。

const a = 10n;
const b = 5;

// console.log(a + b); // TypeError: Cannot mix BigInt and other types, use explicit conversions

console.log(a + BigInt(b)); // 15n  (需要先将 Number 转换成 BigInt)
console.log(Number(a) + b); // 15 (需要将 BigInt 转换成 Number，但可能丢失精度)

注意精度丢失的风险！ 将 BigInt 转换成 Number 类型可能会丢失精度，所以要谨慎使用。 最好只在确定结果在 Number 的安全范围内时才进行转换。

四、 BigInt 在加密货币中的应用

加密货币，比如比特币、以太坊，交易金额、账户余额都是很大的整数，而且对精度要求极高。BigInt 刚好可以满足这个需求。

举个例子，假设我们要实现一个简单的比特币交易函数：

// 模拟账户余额
let aliceBalance = 10000000000000000000n; // 10 BTC (假设 1 BTC = 10^18 satoshi)
let bobBalance = 5000000000000000000n; // 5 BTC

function transfer(senderBalance, receiverBalance, amount) {
  if (senderBalance < amount) {
    console.log("余额不足!");
    return [senderBalance, receiverBalance];
  }

  const newSenderBalance = senderBalance - amount;
  const newReceiverBalance = receiverBalance + amount;

  console.log(`交易成功！转账金额: ${amount}`);
  console.log(`Alice 余额: ${newSenderBalance}`);
  console.log(`Bob 余额: ${newReceiverBalance}`);

  return [newSenderBalance, newReceiverBalance];
}

// Alice 转账 2 BTC 给 Bob
[aliceBalance, bobBalance] = transfer(aliceBalance, bobBalance, 2000000000000000000n); // 2 BTC

// Alice 转账 10 BTC 给 Bob
[aliceBalance, bobBalance] = transfer(aliceBalance, bobBalance, 10000000000000000000n); // 10 BTC

// Alice 转账 100 BTC 给 Bob
[aliceBalance, bobBalance] = transfer(aliceBalance, bobBalance, 100000000000000000000n); // 余额不足

在这个例子中，我们用 BigInt 来表示账户余额和交易金额，确保了计算的精度，避免了因精度问题导致的资金损失。

五、 BigInt 在高精度计算中的应用

除了加密货币，BigInt 在高精度计算领域也有广泛的应用。比如，计算阶乘、计算圆周率等等。

我们来写一个计算阶乘的函数：

function factorial(n) {
  if (n === 0n) {
    return 1n;
  } else {
    return n * factorial(n - 1n);
  }
}

console.log(factorial(20n)); // 2432902008176640000n
console.log(factorial(50n)); // 30414093201713378043612608166064768844377641568960512000000000000n

如果用 Number 类型来计算 factorial(50)，早就溢出了，结果会变成 Infinity。

六、 BigInt 的一些坑

虽然 BigInt 很好用，但也有一些需要注意的地方：

1. 性能问题： BigInt 的运算速度比 Number 类型慢，因为它需要更多的内存和计算资源。所以在对性能要求很高的场景下，要慎重使用。

2. 类型转换： 前面已经说过了，BigInt 只能和 BigInt 运算，需要进行类型转换。而且，将 BigInt 转换成 Number 类型可能会丢失精度。

3. 不支持某些操作符： BigInt 不支持一元加号操作符 +，因为会被认为是要将值转换为 Number 类型。

   const a = 10n;
   // console.log(+a); // TypeError: Cannot convert a BigInt value to a number

4. 位运算符： 位运算符（如 |、&、^、>>、<<）在 BigInt 中使用时，会移除符号位。这在某些场景下可能会导致意想不到的结果。

七、 BigInt 的浏览器兼容性

BigInt 的浏览器兼容性还不是很好，需要注意。

浏览器	支持版本
Chrome	67+
Firefox	68+
Safari	12+
Edge	79+
Node.js	10.4+

如果要在老版本的浏览器中使用 BigInt，可以使用一些 polyfill 库，比如 big-integer。

八、 BigInt 的一些实用技巧

1. 格式化 BigInt： 可以使用 toLocaleString() 方法来格式化 BigInt，使其更易读。

   const bigNumber = 12345678901234567890n;
   console.log(bigNumber.toLocaleString()); // "12,345,678,901,234,567,890"

2. 比较 BigInt： 可以使用 >、<、>=、<=、===、!== 等比较运算符来比较 BigInt 的大小。

   const a = 10n;
   const b = 20n;
   
   console.log(a > b); // false
   console.log(a < b); // true
   console.log(a === 10n); // true

3. 使用第三方库： 如果需要更高级的 BigInt 功能，可以使用一些第三方库，比如 jsbi、big.js 等。这些库提供了更多的 API 和更优的性能。

九、 总结

BigInt 是 JavaScript 中一个非常重要的特性，它解决了 Number 类型无法精确表示大整数的问题，为加密货币、高精度计算等领域提供了强大的支持。

虽然 BigInt 有一些需要注意的地方，但只要掌握了它的基本用法和注意事项，就能在实际开发中灵活运用，解决各种大整数计算问题。

希望今天的讲座对大家有所帮助！ 谢谢大家！