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js 中的 number 为何很怪异

js 中的 number 为何很怪异

作者: 强哥科技兴 | 来源:发表于2019-01-03 13:06 被阅读6次

    声明:需要读者对二进制有一定的了解

    对于 JavaScript 开发者来说,或多或少都遇到过js在处理数字上的奇怪现象,比如:

    如果想要弄明白为什么会出现这些奇怪现象,首先要弄清楚JavaScript 是怎样编码数字的

    1. JavaScript 是怎样编码数字的

    JavaScript 中的数字,不管是整数、小数、分数,还是正数、负数,全部是浮点数,都是用 8 个字节(64 位)来存储的。

    一个数字(如12、0.12、-999)在内存中占用 8 个字节(64 位),存储方式如下:

    0 - 51:分数部分(52 位)

    52 - 62:指数部分(11 位)

    63:符号位(1 位:0 表示这个数是正数,1 表示这个数是负数)

    符号位很好理解,用于指明是正数还是负数,且只有 1 位、两种情况(0 表示正数,1 表示负数)。

    其他两部分是分数部分和指数部分,用于计算一个数的绝对值。

    1.1 绝对值计算公式

    说明:

    这个公式是二进制的算法公式,结果用abs表示,分数部分用f表示,指数部分用e表示

    2 ^ (e - 1023)表示2的e - 1023次方

    因为分数部分占 52 位,所以f的取值范围为00...00(中间省略 48 个 0) 到11...11(中间省略 48 个 1)

    因为指数部分占 11 位,所以e的取值范围为0(00000000000) 到2047(11111111111)

    从上面的公式可以看出:

    1的存储方式:1.00 * 2 ^ (1023 - 1023)(f = 0000..., e = 1023,...表示 48 个 0)

    2的存储方式:1.00 * 2 ^ (1024 - 1023)(f = 0000..., e = 1024,...表示 48 个 0)

    9的存储方式:1.01 * 2 ^ (1025 - 1023)(f = 0100..., e = 1025,...表示 48 个 0)

    0.5的存储方式:1.00 * 2 ^ (1022 - 1023)(f = 0000..., e = 1022,...表示 48 个 0)

    0.625的存储方式:1.01 * 2 ^ (1021 - 1023)(f = 0100..., e = 1021,...表示 48 个 0)

    1.2 绝对值的取值范围与边界

    从上面的公式可以看出:

    1.2.10 < e < 2047

    当0 < e < 2047时,取值范围为:f = 0, e = 1到f = 11...11, e = 2046(中间省略 48 个 1)

    即:Math.pow(2, -1022)到~= Math.pow(2, 1024) - 1(~=表示约等于)

    这当中,~= Math.pow(2, 1024) - 1就是Number.MAX_VALUE的值,js所能表示的最大数值。

    1.2.2e = 0, f > 0

    当e = 0, f > 0时,取值范围为:f = 00...01, e = 0(中间省略 48 个 0) 到f = 11...11, e = 0(中间省略 48 个 1)

    即:Math.pow(2, -1074)到~= Math.pow(2, -1022)(~=表示约等于)

    这当中,Math.pow(2, -1074)就是Number.MIN_VALUE的值,js所能表示的最小数值(绝对值)。

    1.2.3e = 0, f = 0

    这只表示一个值0,但加上符号位,所以有+0与-0。

    但在运算中:

    1.2.4e = 2047, f > 0

    这只表示一种值NaN。

    但在运算中:

    1.2.5e = 2047, f = 0

    这只表示一个值∞(infinity, 无穷大)。

    在运算中:

    1.3 绝对值的最大安全值

    从上面可以看出,8 个字节能存储的最大数值是Number.MAX_VALUE的值,也就是~= Math.pow(2, 1024) - 1。

    但这个数值并不安全:从1到Number.MAX_VALUE中间的数字并不连续,而是离散的。

    比如:Number.MAX_VALUE - 1,Number.MAX_VALUE - 2等数值都无法用公式得出,就存储不了。

    所以这里引出了最大安全值Number.MAX_SAFE_INTEGER,也就是从1到Number.MAX_SAFE_INTEGER中间的数字都是连续的,处在这个范围内的数值计算都是安全的。

    当f = 11...11, e = 1075(中间省略 48 个 1)时,取得这个值111...11(中间省略 48 个 1),即Math.pow(2, 53) - 1。

    大于Number.MAX_SAFE_INTEGER:Math.pow(2, 53) - 1的数值都是离散的。

    比如:Math.pow(2, 53) + 1,Math.pow(2, 53) + 3不能用公式得出,无法存储在内存中。

    所以才会有文章开头的现象:

    因为Math.pow(2, 53) + 1不能用公式得出,就无法存储在内存中,所以只有取最靠近这个数的、能够用公式得出的其他数,Math.pow(2, 53),然后存储在内存中,这就是失真,即不安全。

    1.4 小数的存储方式与计算

    小数中,除了满足m / (2 ^ n)(m, n都是整数)的小数可以用完整的 2 进制表示之外,其他的都不能用完整的 2 进制表示,只能无限的逼近一个 2 进制小数。

    (注:[2]表示二进制,^表示 N 次方)

    从上面可以看出,小数中大部分都只是近似值,只有少部分是真实值,所以只有这少部分的值(满足m / (2 ^ n)的小数)可以直接比较大小,其他的都不能直接比较。

    为了安全的比较两个小数,引入Number.EPSILON [Math.pow(2, -52)]来比较浮点数。

    1.5 小数最大保留位数

    js从内存中读取一个数时,最大保留17位有效数字。

    2. Number 对象中的常量

    2.1 Number.EPSILON

    表示 1 与 Number 可表示的大于 1 的最小的浮点数之间的差值。

    Math.pow(2, -52)

    用于浮点数之间安全的比较大小。

    2.2 Number.MAX_SAFE_INTEGER

    绝对值的最大安全值。

    Math.pow(2, 53) - 1

    2.3 Number.MAX_VALUE

    js所能表示的最大数值(8 个字节能存储的最大数值)。

    ~= Math.pow(2, 1024) - 1

    2.4 Number.MIN_SAFE_INTEGER

    最小安全值(包括符号)。

    -(Math.pow(2, 53) - 1)

    2.5 Number.MIN_VALUE

    js所能表示的最小数值(绝对值)。

    Math.pow(2, -1074)

    2.6 Number.NEGATIVE_INFINITY

    负无穷大。

    -Infinity

    2.7 Number.POSITIVE_INFINITY

    正无穷大。

    +Infinity

    2.8 Number.NaN

    非数字。

    3. 寻找奇怪现象的原因

    3.1 为什么0.1 + 0.2结果是0.30000000000000004

    与0.3的逼近算法类似。

    但f = 00110011001100110011001100110011001100110011001100111有 53 位,超过了正常的 52 位,无法存储,所以取最近的数:

    js读取这个数字为0.30000000000000004

    3.2 为什么Math.pow(2, 53) + 1结果是Math.pow(2, 53)

    因为Math.pow(2, 53) + 1不能用公式得出,无法存储在内存中,所以只有取最靠近这个数的、能够用公式得出的其他数。

    比这个数小的、最靠近的数:

    比这个数大的、最靠近的数:

    取第一个数:Math.pow(2, 53)。

    所以:

    参考文章

    How numbers are encoded in JavaScript

    JavaScript是怎样编码数字的

    后续

    作者:深予之 (@senntyou)

    原文链接:https://segmentfault.com/a/1190000017545048

    最后:“相信有很多想学前端的小伙伴,今年年初我花了一个月整理了一份最适合2018年学习的web前端干货,从最基础的HTML+CSS+JS到移动端HTML5等都有整理,送给每一位前端小伙伴,53763,1707这里是小白聚集地,欢迎初学和进阶中的小伙伴。”

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