Objective-C对象的TaggedPointer特性

前言

前段时间，看到在知识小集的交流群里正在讨论 copy 和 mutableCopy 的相关特性。所以自己写了一个 Demo 验证一下群里提供的表是否正确。后来发现了 NSString 出现了中间类的情况。所以，写了这篇文章，记录一下。

NSString 解析

在 iOS 开发中字符串的使用通常用的比较多的是 NSString 而不是 char。而对于这个 NSString 类，实际上在编译和运行的时候会转化为不同的类型。所以接下来，就需要了解一下这些相关类：NSString、NSMutableString、__NSCFConstantString、__NSCFString、NSTaggedPointerString。

NSString 相关类说明表格

类名	存储区域	初始化的引用计数（retainCount）	作用描述
NSString	堆区	1	开发者常用的不可变字符串类，编译期间会转换到其他类型
NSMutableString	堆区	1	开发者常用的可变字符串类，编译期间会转换到其他类型
__NSCFString	堆区	1	可变字符串 NSMutableString 类，编译期间会转换到该类型
__NSCFConstantString	堆区	2^64-1	不可变字符串 NSString 类，编译期间会转换到该类型
NSTaggedPointerString	栈区	2^64-1	Tagged Pointer对象，并不是真的对象

测试代码

测试代码主要分为两部分：NSString 和 NSMutableString。当然，会通过这两部分代码说明问题。

NSString 测试代码

首先，执行 NSString 的测试代码，如下：

NSString *str = @"abc"; // __NSCFConstantString
NSString *str1 = @"abc"; //__NSCFConstantString
NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@"%@", str]; // NSTaggedPointerString
NSString *str3 = [str copy]; // __NSCFConstantString
NSString *str4 = [str mutableCopy]; // __NSCFString
    
NSLog(@"str(%@<%p>: %p): %@", [str class], &str, str, str);
NSLog(@"str1(%@<%p>: %p): %@", [str1 class], &str1, str1, str1);
NSLog(@"str2(%@<%p>: %p): %@", [str2 class], &str2, str2, str2);
NSLog(@"str3(%@<%p>: %p): %@", [str3 class], &str3, str3, str3);
NSLog(@"str4(%@<%p>: %p): %@", [str4 class], &str4, str4, str4);

变量内存分布截图：

NSString变量状态

打印的结果如下：

2018-08-10 19:35:59.172724+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5ba8>: 0x10301c090): abc
2018-08-10 19:35:59.173112+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str1(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5ba0>: 0x10301c090): abc
2018-08-10 19:35:59.173445+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str2(NSTaggedPointerString<0x7ffeecbe5b98>: 0xa000000006362613): abc
2018-08-10 19:35:59.173616+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str3(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5b90>: 0x10301c090): abc
2018-08-10 19:35:59.173845+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str4(__NSCFString<0x7ffeecbe5b88>: 0x600000259050): abc

NSMutableString 测试代码

接下来，执行 NSMutableString 的测试代码，如下：

NSMutableString *str = [NSMutableString stringWithString:@"abc"];
NSMutableString *str1 = [NSMutableString stringWithString:@"abc"];
NSMutableString *str2 = [NSMutableString stringWithFormat:@"%@", str];
NSMutableString *str3 = [str copy];
NSMutableString *str4 = [str mutableCopy];
    
NSLog(@"str(%@<%p>: %p): %@", [str class], &str, str, str);
NSLog(@"str1(%@<%p>: %p): %@", [str1 class], &str1, str1, str1);
NSLog(@"str2(%@<%p>: %p): %@", [str2 class], &str2, str2, str2);
NSLog(@"str3(%@<%p>: %p): %@", [str3 class], &str3, str3, str3);
NSLog(@"str4(%@<%p>: %p): %@", [str4 class], &str4, str4, str4);

变量内存分布截图：

NSMutableString变量状态

打印的结果如下：

2018-08-10 21:37:49.709725+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str(__NSCFString<0x7ffeed8e6ba8>: 0x60000044f6c0): abc
2018-08-10 21:37:49.709956+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str1(__NSCFString<0x7ffeed8e6ba0>: 0x600000450290): abc
2018-08-10 21:37:49.710309+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str2(__NSCFString<0x7ffeed8e6b98>: 0x600000450740): abc
2018-08-10 21:37:49.710652+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str3(NSTaggedPointerString<0x7ffeed8e6b90>: 0xa000000006362613): abc
2018-08-10 21:37:49.711494+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str4(__NSCFString<0x7ffeed8e6b88>: 0x6000004506e0): abc

相关类的继承链条

以上所说的字符串的相关类，它们有什么关系呢？或者说有什么关联呢？这一节主要围绕这两个问题展开。由以上的测试代码和测试结果可以推断出字符串类的继承链条如下：

__NSCFConstantString -> __NSCFString -> NSMutableString -> NSString -> NSObject

其中，编译后的 NSString 一般实际使用的是 __NSCFConstantString，编译后的 NSMutableString 一般实际是使用 __NSCFString。所以，开发者只要了解其对应关系就可以了。从测试代码中打印的结果看还有一种类：NSTaggedPointerString。这是干嘛的呢？其实严格地说，这并不是一个类，它是适用于 64位处理器 的一个内存优化机制，也就是 Tagged Pointer。
接下来，将从 CoreFoundation 露出来的头文件进行分析。

__NSCFConstantString 字符串常量

在编译期间，就已经决定 NSString -> __NSCFConstantString。所以同一个字符串常量在堆区只分配一个空间，并且 retainCount 为最大。也就是说不会被释放掉。该类的定义在 CoreFoundation 中的 __NSCFConstantString.h 文件中。
定义代码如下：

@interface __NSCFConstantString : __NSCFString

- (id)autorelease;
- (id)copyWithZone:(struct _NSZone { }*)arg1;
- (bool)isNSCFConstantString__;
- (oneway void)release;
- (id)retain;
- (unsigned long long)retainCount;

@end

如上代码可知，__NSCFConstantString 是继承于 __NSCFString。也就是说，重复的声明同样内容的字符串常量，实际上指向的是同一个堆区地址，如NSString测试代码的以下几行：

NSString *str = @"abc"; // __NSCFConstantString
NSString *str1 = @"abc"; //__NSCFConstantString

打印出的结果对应如下：

2018-08-10 19:35:59.172724+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5ba8>: 0x10301c090): abc
2018-08-10 19:35:59.173112+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str1(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5ba0>: 0x10301c090): abc

可以看出，打印出来的堆区地址都是 0x10301c090。

__NSCFString 可变字符串

在编译期间，就已经决定 NSMutableString -> __NSCFString。所以一个可变字符串常量在堆区会分配一个空间，并且 retainCount 为 1，也就是说按正常对象的生命周期被释放。该类的定义在 CoreFoundation 中的 __NSCFString.h。
定义代码如下：

@interface __NSCFString : NSMutableString

...

@end

如上代码可知，__NSCFString 是继承于 NSMutableString。

NSTaggedPointerString

在编译期间，已经会决定 NSString -> NSTaggedPointerString。值将存储在指针空间，也就是栈（Stack）区，并且 retainCount 为最大。不过要触发这样的类型转换，需要满足以下两个条件：

• 64位处理器
• 内容很少，栈区能够装得下

具体的内存分布请看 Tagged Pointer。

NSNumber 解析

在 iOS 开发中，数字通常会使用 NSNumber 类进行封装承载。而对于这个 NSNumber 类，实际上在编译和运行的时候会转化为不同的类型。所以接下来，就需要了解一下这些相关类：NSNumber、__NSCFNumber、NSValue。

NSNumber 相关类说明表格

类名	存储区域	初始化的引用计数（retainCount	作用描述
NSValue	堆区	1	主要用于封装结构体
NSNumber	堆区	1	开发者常用的数字类，编译期间会转换到其他类型
__NSCFNumber	堆区、栈区	1、2^64-1	数字类 NSNumber 类，编译期间会转换到该类型，若是 Tagged Pointer 则在栈区，引用计数为 2^64-1

测试代码

执行NSNumber的测试代码：

NSNumber *num1 = @1;
NSNumber *num2 = @2;
NSNumber *num3 = @3;
NSNumber *num4 = @(3.1415927);
NSNumber *num5 = [num1 copy];
NSNumber *num6 = [num4 copy];
    
NSLog(@"num1(%@<%p>: %p): %@", [num1 class], &num1, num1, num1);
NSLog(@"num2(%@<%p>: %p): %@", [num2 class], &num2, num2, num2);
NSLog(@"num3(%@<%p>: %p): %@", [num3 class], &num3, num3, num3);
NSLog(@"num4(%@<%p>: %p): %@", [num4 class], &num4, num4, num4);
NSLog(@"num5(%@<%p>: %p): %@", [num5 class], &num5, num5, num5);
NSLog(@"num6(%@<%p>: %p): %@", [num6 class], &num6, num6, num6);

变量内存分布截图：

NSNumber变量状态

打印的结果如下：

2018-08-10 23:55:08.025987+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num1(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b70>: 0xb000000000000012): 1
2018-08-10 23:55:08.026190+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num2(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b68>: 0xb000000000000022): 2
2018-08-10 23:55:08.026329+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num3(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b60>: 0xb000000000000032): 3
2018-08-10 23:55:08.026422+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num4(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b58>: 0x604000425be0): 3.1415927
2018-08-10 23:55:08.026516+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num5(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b50>: 0xb000000000000012): 1
2018-08-10 23:55:09.688991+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num6(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b48>: 0x604000425be0): 3.1415927

相关类的继承链条

以上所说的数字的相关类，它们有什么关系呢？或者说有什么关联呢？这一节主要围绕这两个问题展开。由以上的测试代码和测试结果可以推断出数字类的继承链条如下：

__NSCFNumber -> NSNumber -> NSValue -> NSObject

其中，编译后的 NSNumber 一般实际使用的是 __NSCFNumber。所以，开发者只要了解其对应关系就可以了。在 Tagged Pointer 机制中，和字符串不同的地方是没有对应的Tagged Pointer对象类型。
接下来，将从 CoreFoundation 露出来的头文件进行分析。

__NSCFNumber 数字类

在编译期间，就已经决定 NSNumber -> __NSCFNumber。所以同一个字符串常量在堆区会分配一个空间，并且 retainCount 为 1。该类的定义在 CoreFoundation 中的 __NSCFNumber.h 文件中。
定义代码如下：

@interface __NSCFNumber : NSNumber

+ (bool)automaticallyNotifiesObserversForKey:(id)arg1;

- (long long)_cfNumberType;
- (unsigned long long)_cfTypeID;
- (unsigned char)_getValue:(void*)arg1 forType:(long long)arg2;
- (bool)_isDeallocating;
- (long long)_reverseCompare:(id)arg1;
- (bool)_tryRetain;
- (bool)boolValue;
- (BOOL)charValue;
- (long long)compare:(id)arg1;
- (id)copyWithZone:(struct _NSZone { }*)arg1;
- (id)description;
- (id)descriptionWithLocale:(id)arg1;
- (double)doubleValue;
- (float)floatValue;
- (void)getValue:(void*)arg1;
- (unsigned long long)hash;
- (int)intValue;
- (long long)integerValue;
- (bool)isEqual:(id)arg1;
- (bool)isEqualToNumber:(id)arg1;
- (bool)isNSNumber__;
- (long long)longLongValue;
- (long long)longValue;
- (const char *)objCType;
- (oneway void)release;
- (id)retain;
- (unsigned long long)retainCount;
- (short)shortValue;
- (id)stringValue;
- (unsigned char)unsignedCharValue;
- (unsigned int)unsignedIntValue;
- (unsigned long long)unsignedIntegerValue;
- (unsigned long long)unsignedLongLongValue;
- (unsigned long long)unsignedLongValue;
- (unsigned short)unsignedShortValue;

@end

__NSCFNumber 的 Tagged Pointer 特性

在编译期间，就已经决定 NSNumber -> __NSCFNumber。不过，需要启动 Tagged Pointer 的条件和字符串的 NSTaggedPointerString条件一样如下：

• 64位处理器
• 数字较小，栈区能够装得下

Tagged Pointer 特性分析

为了改进从 32位CPU 迁移到 64位CPU 的内存浪费和效率问题，在 64位CPU 环境下，引入了 Tagged Pointer 对象。有了这样的机制，系统会对 NSString、NSNumber 和 NSDate等对象进行优化。

未引入 Tagged Pointer 内存分布

一般的 iOS 程序，从32位迁移到64位CPU，虽然逻辑上是不会有任何变化，但是所占有的内存空间就会翻倍。以 NSInteger 封装成 NSNumber 为例，内存分布图如下：

未引入TaggedPointer内存分布图

由分布图所示，占用内存从32位CPU的12个字节到24个字节整整翻了一倍。

引入 Tagged Pointer 内存分布

引用了 Tagged Pointer 的对象，节省了分配在堆区的空间，将值存在指针区域的栈区。从而节省了内存空间以及大大提升了访问速度。以 NSInteger 封装成 NSNumber 为例，内存分布图如下：

引入TaggedPointer内存分布图

由分布图所示，占用内存从32位CPU的12个字节到8个字节，还节省了3个字节的内存空间。而且引用计数 retainCount 为最大值。

验证过程

根据以上NSNumber的测试代码：

NSNumber *num1 = @1;
NSNumber *num2 = @2;
NSNumber *num3 = @3;
NSNumber *num4 = @(3.1415927);
NSNumber *num5 = [num1 copy];
NSNumber *num6 = [num4 copy];

打印的结果如下：

2018-08-10 23:55:08.025987+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num1(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b70>: 0xb000000000000012): 1
2018-08-10 23:55:08.026190+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num2(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b68>: 0xb000000000000022): 2
2018-08-10 23:55:08.026329+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num3(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b60>: 0xb000000000000032): 3
2018-08-10 23:55:08.026422+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num4(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b58>: 0x604000425be0): 3.1415927
2018-08-10 23:55:08.026516+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num5(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b50>: 0xb000000000000012): 1
2018-08-10 23:55:09.688991+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num6(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b48>: 0x604000425be0): 3.1415927

说明使用 Tagged Pointer 的对象的值都会存储在指针的值里。以上打印结果，可看出 0xb 开头的地址都是 Tagged Pointer，只要把前面的 0xb 和 尾部的 2去掉，剩下的就是真正的值。具体的存储细节，可参考 tagged-pointers 文档。
而打印结果中的 num4 变量存储的是双精度浮点数，栈区存不了，所以会在堆区开辟空间存储。

特点总结

Tagged Pointer 的引用主要解决内存浪费和访问效率的问题。所以其有以下特点：

1. Tagged Pointer 专门用于存储小的对象，例如：NSString、NSNumber 和 NSDate。
2. Tagged Pointer指针的值不再是堆区地址，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。

如此可见，Apple 引入了 Tagged Pointer 不仅仅节省了64位处理器的占用内存空间，还提高了运行效率。

使用注意点

Tagged Pointer 并不是真正的指针，由测试代码的变量内存分布截图，都可表明其对应的 isa 指针已经指向 0x0 地址。所以如果你直接访问 Tagged Pointer 的 isa 成员的话，编译时期将会有警告。可以通过调用 isKindOfClass 和 object_getClass，避免直接访问对象的 isa 变量。

结论

在iOS的日常开发中，同样内容的字符串常量 __NSCFConstantString 全局只有一份，放在堆区，并且不会被释放（retainCount值最大）。并且由于有 Tagged Pointer 的存在，尽量避免直接访问对象的 isa 变量。

参考文档

• NSString特性分析学习

• NSString的内存管理

• 深入理解Tagged Pointer

• tagged-pointers