iOS 内存管理-Tagged Pointer

Tagged Pointer

从64位系统开始，iOS引入了TaggedPointer技术，用于优化小对象（NSNumber、NSData）的存储。

https://developer.apple.com/videos/play/wwdc2013/404/ 36:50

在引入Tagged Pointer之前，NSNumber等对象存储在堆上，NSNumber指针中存储的是堆中NSNumber对象的地址值。
如果我们要使用NSNumber对象存储一个整数，正常情况下是一个NSInteger。在32位cpu下占4字节，在64位cpu下占8字节。而一个指针占用的空间，在32位cpu下是4字节，在64位cpu下是8字节。
所以一个普通的iOS程序，在没有使用TaggedPointer的情况下，从32位机器迁移到64位机器，虽然逻辑都一样，但是NSNumber和NSData等类型的对象，占用内存增加了一倍。

引入Tagged Pointer前

而为了存储和访问一个NSNumber对象，需要在堆上为期分配内存空间，管理引用技术和生命周期，这都给程序增加了额外逻辑，造成运行效率上的损失。

为了解决上述的内存占用和效率问题，苹果提出了Tagged Pointer对象。
由于NSNumber、NSData一类的变量的值，常常不需要8个字节，所以将一个对象的指针拆成两部分，一部分直接保存数据，一部分作为特殊标记，表示这是一个特别的指针，不指向任何对象。
TaggedPointer只是一个指针，没有isa。

引入Tagged Pointer后

测试

现在版本中，为了保证数据安全，苹果对Tagged Pointer指针进行了数据混淆。
添加OBJC_DISABLE_TAG_OBFUSCATION环境变量，参数为YES来关闭混淆。

image.png

运行环境：
Xcode 12.0.1
MacOS Big Sur Beta 11.0
模拟器iPhone11 iOS 14.0

    NSNumber * num = @3;
    NSLog(@"%p", num);
//iPhone11 模拟器输出：
//0xb000000000000032

//MacOS输出：
//0x327

//iPhone X （iOS 14.0.1）输出：
//0x8000000000000193    //暂时不知原因

iPhone（iOS14.0）：
最高位b的二进制为1011，高位1表示是Tagged Pointer，剩下011的10进制是3，表示指针对象类型为NSNumber。
低位第2位的3表示数据是3。
2表示指针数据类型为int。

Mac：
最低位7二进制为0111，低位1表示是Tagged Pointer，剩下的011表示指针的对象类型为NSNumber。
高位3表示数据是3。
2表示指针数据类型为int。

MacOS下采用 LSB（Least Significant Bit，即最低有效位）为Tagged Pointer标识位；
iOS下则采用 MSB（Most Significant Bit，即最高有效位）为Tagged Pointer标识位。

#if (TARGET_OS_OSX || TARGET_OS_IOSMAC) && __x86_64__
    // 64-bit Mac - tag bit is LSB
#   define OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS 0    //MacOS
#else
    // Everything else - tag bit is MSB
#   define OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS 1    //iOS
#endif

#define _OBJC_TAG_INDEX_MASK 0x7
// array slot includes the tag bit itself
#define _OBJC_TAG_SLOT_COUNT 16
#define _OBJC_TAG_SLOT_MASK 0xf

#define _OBJC_TAG_EXT_INDEX_MASK 0xff
// array slot has no extra bits
#define _OBJC_TAG_EXT_SLOT_COUNT 256
#define _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK 0xff

#if OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS  
//iOS
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)
#   define _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT 60
#   define _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT 60
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_LSHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_RSHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_EXT_MASK (0xfUL<<60)
#   define _OBJC_TAG_EXT_INDEX_SHIFT 52
#   define _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT 52
#   define _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_LSHIFT 12
#   define _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_RSHIFT 12
#else
//MacOS
#   define _OBJC_TAG_MASK 1UL
#   define _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT 1
#   define _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT 0
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_LSHIFT 0
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_RSHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_EXT_MASK 0xfUL
#   define _OBJC_TAG_EXT_INDEX_SHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_LSHIFT 0
#   define _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_RSHIFT 12
#endif

支持的对象类型

    // 60-bit payloads
    OBJC_TAG_NSAtom            = 0, 
    OBJC_TAG_1                 = 1, 
    OBJC_TAG_NSString          = 2, 
    OBJC_TAG_NSNumber          = 3, 
    OBJC_TAG_NSIndexPath       = 4, 
    OBJC_TAG_NSManagedObjectID = 5, 
    OBJC_TAG_NSDate            = 6,

文中源码部分来源于objc4-781.2
支持的数据类型

image.png

参考、感谢
深入理解Tagged Pointer
iOS - 老生常谈内存管理（五）：Tagged Pointer
Tagged Pointer分析