如何在JavaScript中实现一个Long型——Long.js源码学习与分析

摘要：目标在中，有一个实现了在中存储型的对象，具体代码可以戳此。下面，我们通过简单讲解一下这个库的具体实现来看看如何在中实现一个型。如果你了解了这个实现原理，那么与之类似的，在中实现一个型或者其他类型的方法也是类似的。

由于在项目中使用到了WebSocket的自定义二进制协议，需要将二进制转为后端服务中定义的Long型。而在JavaScript中的Number类型由于自身原因，并不能完全表示Long型的数字，因此需要我们通过其他的方式来对Long型值进行存储。

在GitHub中，有一个实现了在JavaScript中存储Long型的对象，具体代码可以戳此。下面，我们通过简单讲解一下这个库的具体实现来看看如何在JavaScript中实现一个Long型。如果你了解了这个实现原理，那么与之类似的，在JavaScript中实现一个Long Long型或者其他类型的方法也是类似的。

其实，Long的实现很简单，我们现在只要回归到计算机的本质即可。在计算机中，其实存储的都是01字符串。例如，Int占4个字节(我们以32位操作系统为例)，而Long则占8个字节。

我们在存储中只需要将数据通过二进制进行存储，然后在操作中对二进制进行操作即可。

下面我们简单的来介绍一下Long的各个代表操作和思想。

在Long型对象中，我们采用了高32位和低32位，以及加上一个符号位判断的值，用来进行数据的存储，具体格式如下：

function Long(low, high, unsigned) {
    this.low = low | 0;
    this.high = high | 0;
    this.unsigned = !!unsigned;
}

通过对高低位的存储，从而让两个Number来同时表示一个Long型的高位和低位，从而满足了数值的长度要求。

我们目前只介绍一个通过字符串来讲数据从String型转换为Long型，其他的转换例如从Number转换为Long型是类似的，我们就不过多赘述了。

先看实现函数：

function fromString(str, unsigned, radix) {
    // 处理异常情况
    if (str.length === 0)
        throw Error("empty string");
        
    //处理为0的情况
    if (str === "NaN" || str === "Infinity" || str === "+Infinity" || str === "-Infinity")
        return ZERO;
        
    //处理只有两个参数的情况
    if (typeof unsigned === "number") { 
        // For goog.math.long compatibility
        radix = unsigned,
        unsigned = false;
    } else {
        unsigned = !! unsigned;
    }
    radix = radix || 10;
    if (radix < 2 || 36 < radix)
        throw RangeError("radix");

    var p;
    if ((p = str.indexOf("-")) > 0)
        throw Error("interior hyphen");
    else if (p === 0) {
        // 转为正值处理
        return fromString(str.substring(1), unsigned, radix).neg();
    }
    
    // 从最高位分8位处理一次，如果长度超过8位，则先处理高位，然后将高位直接乘以进制的8次方，再处理低后8位，循环到最后8位为止
    var result = ZERO;
    for (var i = 0; i < str.length; i += 8) {
        var size = Math.min(8, str.length - i),
            value = parseInt(str.substring(i, i + size), radix);
        if (size < 8) {
            var power = fromNumber(pow_dbl(radix, size));
            result = result.mul(power).add(fromNumber(value));
        } else {
            result = result.mul(radixToPower);
            result = result.add(fromNumber(value));
        }
    }
    result.unsigned = unsigned;
    return result;
}

下面我们简单的说下这个函数的实现：

对数据进行异常处理，排除一些边界条件。

如果字符串为一个带"-"号的值，则转换为正值进行处理。

如果字符串为一个常规的Long型值，则先从最前面的8位开始处理，将其通过指定的进制转换为Long型的值。

处理接下来的8位，并且将之前的结果乘以进制数的8次方，即数字高地位的合并。例如：18 = 1 * 10^1 + 8。

循环上面的操作，直到剩余的字符串长度小于8为止，即可结束，得到转换之后的Long型。

Long型转换为字符串的方式，与字符串转换为Long型的步骤差不多，差不多是一个相反的过程。

LongPrototype.toString = function toString(radix) {
    radix = radix || 10;
    if (radix < 2 || 36 < radix)
        throw RangeError("radix");
    if (this.isZero())
        return "0";
    //如果是负值,Unsigned型的Long值永远不会为负值
    if (this.isNegative()) {
        if (this.eq(MIN_VALUE)) {
            // We need to change the Long value before it can be negated, so we remove
            // the bottom-most digit in this base and then recurse to do the rest.
            var radixLong = fromNumber(radix),
                div = this.div(radixLong),
                rem1 = div.mul(radixLong).sub(this);
            return div.toString(radix) + rem1.toInt().toString(radix);
        } else
            return "-" + this.neg().toString(radix);
    }

    //每次处理6位，处理方式与字符串转换过来是类似的，和数学中十进制转换为N进制方法相同——相除法
    // Do several (6) digits each time through the loop, so as to
    // minimize the calls to the very expensive emulated div.
    var radixToPower = fromNumber(pow_dbl(radix, 6), this.unsigned),
        rem = this;
    var result = "";
    while (true) {
        var remDiv = rem.div(radixToPower),
            intval = rem.sub(remDiv.mul(radixToPower)).toInt() >>> 0,
            digits = intval.toString(radix);
        rem = remDiv;
        if (rem.isZero())
            return digits + result;
        else {
            while (digits.length < 6)
                digits = "0" + digits;
            result = "" + digits + result;
        }
    }
};

上面这个函数的实现步骤正好相反：

处理各种边界条件

如果Long型为一个负值，则转换为正值进行处理，如果Long型为0x80000000时，则对它进行了多带带处理。

在处理正值Long型为字符串时，操作方法与我们数学中教的转换进制的相除法类似，具体操作为：先除以需要转换的进制数，得到结果和余数，将结果重新作为被除数相除直到被除数为0，再将余数拼接起来即可。例如：18(10进制)转换为8进制时，操作是：18 = 2 * 8 + 2; 2 = 0 * 8 + 2;,因此结果为0x22。只是，在此函数中，一次相除的是进制数的6次方，其余步骤是类似的。

通过上面的操作得到字符串后返回即可。

在知道了Long型的存储本质是使用高低各32位以后，Long型的运算其实就已经了解了。我们只需要针对特定的操作进行相对应的二进制操作，那么我们就能够得到相对应的结果，下面的实例是Long型相加的操作，我们简单了解下：

LongPrototype.add = function add(addend) {
    if (!isLong(addend))
        addend = fromValue(addend);
    // 将每个数字分成4个16比特的块，然后将这些块加起来

    var a48 = this.high >>> 16;
    var a32 = this.high & 0xFFFF;
    var a16 = this.low >>> 16;
    var a00 = this.low & 0xFFFF;

    var b48 = addend.high >>> 16;
    var b32 = addend.high & 0xFFFF;
    var b16 = addend.low >>> 16;
    var b00 = addend.low & 0xFFFF;

    var c48 = 0, c32 = 0, c16 = 0, c00 = 0;
    c00 += a00 + b00;
    c16 += c00 >>> 16;
    c00 &= 0xFFFF;
    c16 += a16 + b16;
    c32 += c16 >>> 16;
    c16 &= 0xFFFF;
    c32 += a32 + b32;
    c48 += c32 >>> 16;
    c32 &= 0xFFFF;
    c48 += a48 + b48;
    c48 &= 0xFFFF;
    return fromBits((c16 << 16) | c00, (c48 << 16) | c32, this.unsigned);
};

通过上面的操作我们就可以知道，Long型的四则运算等操作其实都是通过二进制和位运算来实现的。并没有我们想象中的那么神秘。

其实，通过阅读Long.js库的源码你就会发现，在JavaScript中实现一个Long型并不难，也许还是一个听简单的事情，不过重要的是我们可能想象不到这种的实现方式。因此，这个也证明了我们在思考一个问题问题的同时，我们也应该多从事情的本质来考虑，这样就有可能得到解决方案。

我在Long.js的代码中添加了一些中文的注释，如果有需要可以到我folk的仓库进行阅读学习。