为什么不要在 JavaScript 中使用位操作符？

本文最早在我的个人博客《咀嚼之味》发布：http://jerryzou.com

如果你的第一门编程语言不是 JavaScript，而是 C++ 或 Java，那么一开始你大概会看不惯 JavaScript 的数字类型。在 JavaScript 中的数字类型是不区分什么 Int，Float，Double，Decimal 的。咳咳，我说的当然是在 ES6 之前的 JS，在 ES6 的新标准中提出了像 Int8Array 这样新的数据类型。不过这不是本文叙述的重点，暂且就不谈啦。本文将更着重地谈 JS 的数字类型以及作用于它的位操作符，而关于包装对象 Number 的更多了解可以看拔赤翻译的《JavaScript设计模式》

数字类型的本质

实际上，JavaScript的数字类型的本质就是一个基于 IEEE 754 标准的双精度 64 位的浮点数。按照标准，它的数据结构如图示这样：由1位符号位，11位指数部分以及52位尾数部分构成。

在浮点数中，数字通常被表示为：

(-1)^sign × mantissa × 2^exponent

而为了将尾数规格化，并做到尽量提高精确度，就需要把尾数精确在 [1,2) 的区间内，这样便可省去前导的1。比如：

11.101 × 2³ = 1.1101 × 2⁴
0.1001 × 2⁵ = 1.001 × 2⁴

并且标准规定指数部分使用 0x3ff 作为偏移量，也就有了双精度浮点数的一般公式：

(-1)^sign × 1.mantissa × 2^{exponent - 0x3ff}

举一些例子，应该能帮助你理解这个公式：

3ff0 0000 0000 0000  =  1
c000 0000 0000 0000  =  -2
3fd5 5555 5555 5555  ~  1/3
0000 0000 0000 0000  =  0
8000 0000 0000 0000  =  -0
7ff0 0000 0000 0000  =  无穷大 ( 1/0 )
fff0 0000 0000 0000  =  负无穷大 ( 1/-0 )
7fef ffff ffff ffff  ~  1.7976931348623157 x 10^308 (= Number.MAX_VALUE)
433f ffff ffff ffff  =  2^53 - 1 (= Number.MAX_SAFE_INTEGER)
c33f ffff ffff ffff  =  -2^53 + 1 (= Number.MIN_SAFE_INTEGER)

得益于尾数省略的一位“1”，使用双精度浮点数来表示的最大安全整数为 -2⁵³+1 到 2⁵³-1 之间，所以如果你仅仅使用 JavaScript 中的数字类型进行一些整数运算，那么你也可以近似地将这一数字类型理解为 53 位整型。

让人又爱又恨的位操作符

熟悉 C 或者 C++ 的同学一定对位操作符不陌生。位操作符最主要的应用大概就是作为标志位与掩码。这是一种节省存储空间的高明手段，在曾经内存的大小以 KB 为单位计算时，每多一个变量就是一份额外的开销。而使用位操作符的掩码则在很大程度上缓解了这个问题：

#define LOG_ERRORS            1  // 0001
#define LOG_WARNINGS          2  // 0010
#define LOG_NOTICES           4  // 0100
#define LOG_INCOMING          8  // 1000

unsigned char flags;

flags = LOG_ERRORS;                                 // 0001
flags = LOG_ERRORS | LOG_WARNINGS | LOG_INCOMING;   // 1011

因为标志位一般只需要 1 bit，就可以保存，并没有必要为每个标志位都定义一个变量。所以按上面这种方式只使用一个变量，却可以保存大量的信息——无符号的 char 可以保存 8 个标志位，而无符号的 int 则可以同时表示 32 个标志位。

可惜位操作符在 JavaScript 中的表现就比较诡异了，因为 JavaScript 没有真正意义上的整型。看看如下代码的运行结果吧：

var a, b;

a = 2e9;   // 2000000000
a << 1;    // -294967296

// fxck！我只想装了个逼用左移1位给 a * 2，但是结果是什么鬼！！！

a = parseInt('100000000', 16); // 4294967296
b = parseInt('1111', 2);       // 15
a | b;                         // 15

// 啊啊啊，为毛我的 a 丝毫不起作用，JavaScript真是门吊诡的语言！！！

好吧，虽然我说过大家可以近似地认为，JS 的数字类型可以表示 53 位的整型。但事实上，位操作符并不是这么认为的。在 ECMAScript® Language Specification 中是这样描述位操作符的：

The production A : A @ B, where @ is one of the bitwise operators in the productions above, is evaluated as follows:

1. Let lref be the result of evaluating A.
2. Let lval be GetValue(lref).
3. Let rref be the result of evaluating B.
4. Let rval be GetValue(rref).
5. Let lnum be ToInt32(lval).
6. Let rnum be ToInt32(rval).
7. Return the result of applying the bitwise operator @ to lnum and rnum. The result is a signed 32 bit integer.

需要注意的是第5和第6步，按照ES标准，两个需要运算的值会被先转为有符号的32位整型。所以超过32位的整数会被截断，而小数部分则会被直接舍弃。

而反过来考虑，我们在什么情况下需要用到位操作符？使用左移来代替 2 的幂的乘法？Naive啊，等遇到像第一个例子的问题，你就要抓狂了。而且对一个浮点数进行左移操作是否比直接乘 2 来得效率高，这也是个值得商榷的问题。

那用来表示标志位呢？首先，现在的内存大小已经不值得我们用精简几个变量来减少存储空间了；其次呢，使用标志位也会使得代码的可读性大大下降。再者，在 JavaScript 中使用位操作符的地方毕竟太少，如果你执意使用位操作符，未来维护这段代码的人又对 JS 中的位操作符的坑不熟悉，这也会造成不利的影响。

所以，我对大家的建议是，尽量在 JavaScript 中别使用位操作符。

参考资料

1. 维基百科：双精度浮点数
2. MDN：JavaScript数据结构
3. MDN：按位操作符
4. How to use bitmask?
5. ECMAScript® Language Specification - 11.10 Binary Bitwise Operators