深入理解Tagged Pointer

前言

在2013年9月，苹果推出了iPhone5s，与此同时，iPhone5s配备了首个采用64位架构的A7双核处理器，为了节省内存和提高执行效率，苹果提出了Tagged Pointer的概念。对于64位程序，引入Tagged Pointer后，相关逻辑能减少一半的内存占用，以及3倍的访问速度提升，100倍的创建、销毁速度提升。本文从Tagged Pointer试图解决的问题入手，带领读者理解Tagged Pointer的实现细节和优势，最后指出了使用时的注意事项。

问题

我们先看看原有的对象为什么会浪费内存。假设我们要存储一个NSNumber对象，其值是一个整数。正常情况下，如果这个整数只是一个NSInteger的普通变量，那么它所占用的内存是与CPU的位数有关，在32位CPU下占4个字节，在64位CPU下是占8个字节的。而指针类型的大小通常也是与CPU位数相关，一个指针所占用的内存在32位CPU下为4个字节，在64位CPU下也是8个字节。

所以一个普通的iOS程序，如果没有Tagged Pointer对象，从32位机器迁移到64位机器中后，虽然逻辑没有任何变化，但这种NSNumber、NSDate一类的对象所占用的内存会翻倍。如下图所示：

我们再来看看效率上的问题，为了存储和访问一个NSNumber对象，我们需要在堆上为其分配内存，另外还要维护它的引用计数，管理它的生命期。这些都给程序增加了额外的逻辑，造成运行效率上的损失。

Tagged Pointer

为了改进上面提到的内存占用和效率问题，苹果提出了Tagged Pointer对象。由于NSNumber、NSDate一类的变量本身的值需要占用的内存大小常常不需要8个字节，拿整数来说，4个字节所能表示的有符号整数就可以达到20多亿（注：2^31=2147483648，另外1位作为符号位)，对于绝大多数情况都是可以处理的。

所以我们可以将一个对象的指针拆成两部分，一部分直接保存数据，另一部分作为特殊标记，表示这是一个特别的指针，不指向任何一个地址。所以，引入了Tagged Pointer对象之后，64位CPU下NSNumber的内存图变成了以下这样：

对此，我们也可以用 Xcode做实验来验证。我们的实验代码如下：

int main(int argc, char * argv[])
{
    @autoreleasepool {
        NSNumber *number1 = @1;
        NSNumber *number2 = @2;
        NSNumber *number3 = @3;
        NSNumber *numberFFFF = @(0xFFFF);

        NSLog(@"number1 pointer is %p", number1);
        NSLog(@"number2 pointer is %p", number2);
        NSLog(@"number3 pointer is %p", number3);
        NSLog(@"numberffff pointer is %p", numberFFFF);
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

在该代码中，我们将几个Number类型的指针的值直接输出。需要注意的是，我们需要将模拟器切换成 64位的CPU来测试，如下图所示：

运行之后，我们得到的结果如下，可以看到，除去最后的数字最末尾的2以及最开头的0xb，其它数字刚好表示了相应NSNumber的值。

number1 pointer is 0xb000000000000012
number2 pointer is 0xb000000000000022
number3 pointer is 0xb000000000000032
numberFFFF pointer is 0xb0000000000ffff2

可见，苹果确实是将值直接存储到了指针本身里面。我们还可以猜测，数字最末尾的2以及最开头的0xb是否就是苹果对于Tagged Pointer的特殊标记呢？我们尝试放一个8字节的长的整数到NSNumber实例中，对于这样的实例，由于Tagged Pointer无法将其按上面的压缩方式来保存，那么应该就会以普通对象的方式来保存，我们的实验代码如下：

NSNumber *bigNumber = @(0xEFFFFFFFFFFFFFFF);
NSLog(@"bigNumber pointer is %p", bigNumber);

运行之后，结果如下，验证了我们的猜测，bigNumber的地址更像是一个普通的指针地址，和它本身的值看不出任何关系：

bigNumber pointer is 0x10921ecc0

可见，当8字节可以承载用于表示的数值时，系统就会以Tagged Pointer的方式生成指针，如果8字节承载不了时，则又用以前的方式来生成普通的指针。关于以上关于Tag Pointer的存储细节，我们也可以在这里找到相应的讨论，但是其中关于Tagged Pointer的实现细节与我们的实验并不相符，笔者认为可能是苹果更改了具体的实现细节，并且这并不影响Tagged Pointer我们讨论Tagged Pointer本身的优点。

特点

我们也可以在WWDC2013的《Session 404 Advanced in Objective-C》视频中，看到苹果对于Tagged Pointer特点的介绍：

1. Tagged Pointer专门用来存储小的对象，例如NSNumber和NSDate
2. Tagged Pointer指针的值不再是地址了，而是真正的值。所以，实际上它不再是一个对象了，它只是一个披着对象皮的普通变量而已。所以，它的内存并不存储在堆中，也不需要malloc和free。
3. 在内存读取上有着3倍的效率，创建时比以前快106倍。

由此可见，苹果引入Tagged Pointer，不但减少了64位机器下程序的内存占用，还提高了运行效率。完美地解决了小内存对象在存储和访问效率上的问题。

isa指针

Tagged Pointer的引入也带来了问题，即Tagged Pointer因为并不是真正的对象，而是一个伪对象，所以你如果完全把它当成对象来使，可能会让它露马脚。比如我在《Objective-C对象模型及应用》一文中就写道，所有对象都有 isa 指针，而Tagged Pointer其实是没有的，因为它不是真正的对象。 因为不是真正的对象，所以如果你直接访问Tagged Pointer的isa成员的话，在编译时将会有如下警告：

对于上面的写法，应该换成相应的方法调用，如 isKindOfClass 和 object_getClass。只要避免在代码中直接访问对象的isa变量，即可避免这个问题。

总结

苹果将Tagged Pointer引入，给64位系统带来了内存的节省和运行效率的提高。Tagged Pointer通过在其最后一个bit位设置一个特殊标记，用于将数据直接保存在指针本身中。因为Tagged Pointer并不是真正的对象，我们在使用时需要注意不要直接访问其isa变量。