高性能 JavaScript 之位运算

2023年5月29日 154次阅读 来源: 江湖z

引言

如果你是一个硬件工程师，那么你对位运算相关的东西必然已经非常熟悉，但作为一个前端工程师的你呢？这一点上，确实比较让人疑惑。当我在学校里，还在搞硬件相关的东西的时候，一方面的原因是当初的应用场景很多时候都会接触到，而另一方面，当初使用的编程语言并没有如同 JavaScript 一般灵活方便。考虑到 ROM/RAM 等因素，我如果想要依次点亮一排流水灯的时候，我可能会使用位移运算符配合一个数字来标记哪颗灯应该被点亮；当我需要存储多个布尔类型的数据的时候，我可能使用掩码的形式，存储和使用需要的信息。但是当我习惯了 JavaScript 提供给我的便利以及运行环境提供给我更大的容量、更快的计算速度的时候，不知不觉间，我竟渐渐忘了之前的编程方式。所以，不如提醒一下自己。

二进制与位运算

虽然现代浏览器、Nodejs 等为开发者提供了强大的 JavaScript 运行环境，但是这些环境的核心仍旧是运行在二进制的基础之上的，毋庸置疑的是，基于二进制数据在运行位运算的时候远比其它数学运算、布尔操作等快得多。JavaScript 为开发者提供了多种位运算支持：

  • 按位与（AND，&）
    当两个操作数对应位数都是 1 时，则在该位返回 1，否则则在该位返回 0；
1 & 4     // 0,     1 & 100 -> 000
3 & 5     // 1,     11 & 101 -> 001
  • 按位或（OR，|）
    当两个操作数对应位数中至少有一个是 1 是，则在该位返回 1，否则则在该位返回 0；
1 | 4     // 5,     1 | 100 -> 101
3 | 5     // 7,     11 | 101 -> 111
  • 按位异或（XOR，^）
    当两个操作数对应位数中两个数中，一个为 1，一个为 00，则在该位返回 1，否则则在该位返回；
1 ^ 4     // 5,   1 ^ 100 -> 101
3 ^ 5     // 6,   11 ^ 101 -> 110
  • 按位取反（NOT，~）
    在操作数对应位置，是 1 则在该位返回 0，否则则在该位返回 1；
~1        // -2,  因为补码存在的原因，这里可能和期望的有所不同，有兴趣可以深入学习一下
  • 移位运算 （>>, <<, >>>, <<<）
5 >> 1    // 2,    101 >> 1 -> 010
3 << 1    // 6,    11  << 1 -> 110

……

利用位运算进行性能优化

(一) 代替数学运算

很多情况下，我们可以使用位运算替代数学运算操作，比如判断一个数是否是奇数，最典型的做法当然是对 2 求余数，也即 if (value % 2) {}。但与此同时，二进制奇数的最低位一定是 1，这样我们就能通过如按位与的方式完成我们的需求，if (value & 1) {}。虽然改动比较小，但这个计算速度却将因此得到很大的提高。

(二) 位掩码

位掩码在一些偏底层的语言中使用得非常广泛，但 JavaScript 中却似乎被大众给忽略了，更多的情况下，大家都在关注业务、功能和兼容性等方面的问题，运行环境中提供的便利的 api 似乎也让我们觉得没太大必要使用掩码技术，但性能要求较高的场景中，我们还是会尝试从一些经典的编程范式中寻找答案。用一个很简单的例子来说明位掩码技术：

// 定义所有的可选项
var OPTION_A = 1,
    OPTION_B = 2,
    OPTION_C = 4,
    OPTION_D = 8,
    OPTION_E = 16;

// 包含选项 A、B、D
var options = OPTION_A | OPTION_B | OPTION_D;      // 1 | 10 | 1000 -> 1011

// 判断选项是否被包含在 options 中
options & OPTION_A        // 1011 & 1 -> 0001, true
options & OPTION_B        // 1011 & 10 ->  0010, true
options & OPTION_C        // 1011 & 110 -> 0, false
options & OPTION_D        // 1011 & 1000 -> 1000, true
options & OPTION_E        // 1011 & 10000 -> 0, false

之前，你可能会使用比如数组的 indexOf 或者 Map 数据结构等方式来确认一个数据在不在你的数据集合中，但相比而言，掩码的运算速度远比它们高，除却函数调用带来额外开销，位运算发生于系统底层，尤其是如果有多个选项保存在一起并需要频繁检查的时候，位掩码将大放异彩。
位运算的作用远不止如此，我们整个计算机系统都是在其基础之上构建出来的，这里罗列的只是冰山一角，欢迎大家帮我补充~~~

    原文作者：江湖z
    原文地址: https://www.jianshu.com/p/cc7018492c0f
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