ในโลกของการเขียนโปรแกรม นักพัฒนามักหาวิธีสร้างสรรค์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโค้ดและสร้างเทคนิคที่ชาญฉลาด หนึ่งในเทคนิคที่ได้รับความสนใจจากชุมชนนักพัฒนาเมื่อไม่นานมานี้คือ NaN-boxing - วิธีการที่ใช้ประโยชน์จากลักษณะพิเศษของค่า Not-a-Number (NaN) ใน JavaScript เพื่อเก็บข้อมูลเพิ่มเติม
NaN-Boxing คืออะไร?
NaN-boxing เป็นเทคนิคที่ใช้ประโยชน์จากวิธีการแทนค่าตัวเลขทศนิยมในหน่วยความจำตามมาตรฐาน IEEE 754 ใน JavaScript ตัวเลขทั้งหมดเป็นค่าทศนิยมแบบ 64 บิต ประกอบด้วยบิตเครื่องหมาย (sign bit) เลขชี้กำลัง (exponent) และมันทิสซา (mantissa หรือส่วนเศษ) เมื่อการคำนวณทางคณิตศาสตร์ล้มเหลว (เช่น การหารศูนย์ด้วยศูนย์) จะเกิดค่า NaN พิเศษ สิ่งที่น่าสนใจคือ ในขณะที่ NaN บ่งบอกถึงการดำเนินการที่ไม่ถูกต้อง แต่มันสามารถบรรจุรูปแบบบิตต่างๆ ในส่วนมันทิสซาได้ ซึ่งเปิดโอกาสให้มีการซ่อนข้อมูลอย่างสร้างสรรค์
เทคนิคนี้มักเรียกว่า NaN-boxing และถูกใช้บ่อยในการพัฒนาภาษาโปรแกรมแบบไดนามิก
เทคนิคนี้ทำงานได้เพราะข้อกำหนดของ IEEE 754 อนุญาตให้มีการแทนค่า NaN ได้หลายรูปแบบ ตราบใดที่บิตของเลขชี้กำลังทั้งหมดถูกตั้งเป็น 1 และมีอย่างน้อยหนึ่งบิตในส่วนเศษที่ไม่เป็นศูนย์ ค่านั้นจะถือว่าเป็น NaN ซึ่งทำให้มีบิตว่างมากมายที่สามารถใช้เข้ารหัสข้อมูลอื่นๆ ในขณะที่ยังคงสถานะ NaN ไว้
โครงสร้างจุดทศนิยมแบบ IEEE 754
- บิตเครื่องหมาย: 1 บิต
- เอกซ์โพเนนต์: 11 บิต
- แมนทิสซา/เศษส่วน: 52 บิต
คุณลักษณะของ NaN
- ฟิลด์เอกซ์โพเนนต์: ทุกบิตถูกตั้งค่าเป็น 1
- ฟิลด์เศษส่วน: ต้องมีอย่างน้อยหนึ่งบิตที่ไม่เป็นศูนย์
- ผลลัพธ์: มีประมาณ 52 บิตที่สามารถใช้สำหรับการเก็บข้อมูลในขณะที่ยังคงสถานะ NaN
ความเข้ากันได้กับเบราว์เซอร์
- Firefox: ปรับค่า NaN ที่ดึงมาจาก ArrayBuffer ให้เป็นมาตรฐาน
- เบราว์เซอร์อื่นๆ: อาจอนุญาตให้ใช้รูปแบบบิต NaN แบบกำหนดเอง
เทคนิคที่คล้ายกัน
- การใช้บิตสูงในจำนวนเต็ม 64 บิตสำหรับข้อมูลเสริมในอัลกอริทึมแบบไม่มีการล็อค (lockfree)
- จำนวนเต็ม 63 บิตของ OCaml (สำรอง 1 บิตสำหรับการเก็บขยะ)
ความท้าทายด้านความเข้ากันได้ของเบราว์เซอร์
ไม่ใช่ทุก JavaScript engine จะจัดการค่า NaN เหมือนกัน ซึ่งสร้างความท้าทายด้านความเข้ากันได้ที่น่าสนใจ Firefox ตัวอย่างเช่น ปรับค่า NaN ให้เป็นมาตรฐานเมื่อถูกดึงออกจาก ArrayBuffers นี่อาจเป็นเพราะ SpiderMonkey JavaScript engine ของ Firefox ใช้ NaN-boxing ภายในและไม่มีวิธีแทนค่าทศนิยม NaN ที่ไม่เป็นไปตามแบบแผน ข้อจำกัดนี้หมายความว่าเทคนิคที่พึ่งพาค่า NaN แบบกำหนดเองอาจทำงานไม่สอดคล้องกันในทุกเบราว์เซอร์
การประยุกต์ใช้งานจริง
NaN-boxing ไม่ใช่แค่เรื่องน่าสนใจ—แต่มีการประยุกต์ใช้งานจริงในการพัฒนาภาษาโปรแกรม ภาษาโปรแกรมแบบไดนามิกหลายภาษาใช้เทคนิคนี้เพื่อการแทนค่าอย่างมีประสิทธิภาพ โดยการใช้บิตที่อาจสูญเปล่าในค่า NaN ภาษาเหล่านี้สามารถเข้ารหัสข้อมูลประเภทและค่าขนาดเล็กได้โดยตรงในสิ่งที่ดูเหมือนเป็นตัวเลข หลีกเลี่ยงการจัดสรรหน่วยความจำเพิ่มเติม
นักพัฒนาบางคนได้พบการใช้งานสร้างสรรค์สำหรับเทคนิคนี้ รวมถึงการบีบอัดข้อมูล, steganography (การซ่อนข้อมูลภายในข้อมูลอื่น) และการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้หน่วยความจำในแอปพลิเคชันที่ต้องการประสิทธิภาพสูง โปรเจกต์ stuffed-naan ที่กล่าวถึงในบทความแสดงให้เห็นแนวคิดนี้อย่างสนุกสนาน แม้จะมีการกล่าวอ้างแบบติดตลกเกี่ยวกับอัตราการบีบอัดและประโยชน์ด้านความเป็นส่วนตัว
พื้นฐานทางเทคนิค
ในแก่นแท้แล้ว NaN-boxing ใช้ประโยชน์จากโครงสร้างของตัวเลขทศนิยมตามมาตรฐาน IEEE 754 เมื่อฟิลด์เลขชี้กำลังประกอบด้วยเลข 1 ทั้งหมดและฟิลด์เศษมีอย่างน้อยหนึ่งบิตที่ถูกตั้งค่า ตัวเลขจะถูกตีความว่าเป็น NaN โดยไม่คำนึงถึงรูปแบบบิตเฉพาะในส่วนเศษ นี่ทำให้นักพัฒนามีพื้นที่ประมาณ 52 บิตเพื่อเก็บข้อมูลตามต้องการในขณะที่ยังคงการจัดประเภทเป็น NaN
เทคนิคนี้คล้ายกับเทคนิคการจัดการบิตอื่นๆ ที่ใช้ในการเขียนโปรแกรมระบบ เช่น การใช้บิตสูงสุดของจำนวนเต็ม 64 บิตเพื่อเก็บข้อมูลเสริมในอัลกอริทึมแบบ lockfree OCaml ตัวอย่างเช่น ใช้จำนวนเต็ม 63 บิตเป็นค่าเริ่มต้น โดยสงวนบิตสุดท้ายไว้เพื่อช่วยในการเก็บขยะ (garbage collection)
แม้ว่า NaN-boxing อาจดูเหมือนเป็นเทคนิคที่ไม่ค่อยเป็นที่รู้จัก แต่มันแสดงถึงความคิดสร้างสรรค์ที่ผลักดันการคำนวณให้ก้าวหน้า โดยการเข้าใจความซับซ้อนของวิธีการแทนข้อมูลในระดับต่ำสุด นักพัฒนาสามารถค้นพบวิธีที่ไม่คาดคิดในการเพิ่มประสิทธิภาพและสร้างวิธีแก้ปัญหาที่สง่างามสำหรับปัญหาที่ซับซ้อน
อ้างอิง: Stuffed-Na(a)N: stuff your NaN s