OC中的Tagged Pointer

简介：

  在objc4源码中，我们经常会在函数中看到Tagged Pointer；Tagged Pointer究竟是何方神圣？有什么作用呢？本篇文章用于记录我对Tagged Pointer的理解。

Tagged Pointer主要为了解决两个问题：

1. 内存资源浪费，堆区需要额外的开辟空间：
     例如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。

2. 访问效率，每次set/get都需要访问堆区，浪费时间，而且需要管理堆区对象的声明周期，降低效率：
     为了改进上述提到的内存占用和效率问题，所以苹果提出了Tagged Pointer对象。对于某些占用内存很小的数据对象，不再单独开辟空间去存储，而是将实际的实例值存储在对象的指针中，同时对该指针进行标记，用于区分正常的指针指向！
     由于NSNumber、NSDate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。所以苹果将一个对象的指针拆成两部分，一部分直接保存数据（即下面所说的Data部分），另一部分作为特殊标记（即下面所说的Tag部分），表示这是一个特别的指针，不指向任何一个对象的地址。

Tagged Pointer内存管理：

普通类内存管理：
  总空间 = 栈指针空间（isa普通类指针） + 堆中分配的空间
  指针变量指向堆分配的内存空间，需要动态分配内存，进行引用计数机制，控制对象堆内存的管理。
Tagged Pointe内存管理：
  总空间 = 栈指针空间（Tagged Pointer）
  栈指针空间 = 对象的特殊标记(Tag) + 对象的值(Data)
  对象的特殊标记(Tag)，总共占有四个二进制位；在ARM64架构中最高位的二进制四位用于区分Tagged Pointer和普通指针的区别，其它三位用于区分NSNumber、NSDate、NSString等对象类型
  Data为对象的值
  指针变量包含值，不用进行引用计数机制对内存管理，所以不需要retain，release操作。

Tagged Pointer总结：

1. Tagged Pointer指向的并不是一个类，它是适用于64位处理器的一个内存优化机制，专门用来存储小对象，当存储不下时，则转为对象，例如NSNumber，NSDate， NSString；
2. 指针的值不再是地址了，而是包含真正值且经过特殊处理过的指针。所以，实际上它不再是一个对象了，它只是一个披着对象外衣的普通变量而已。它的内存并不存储在堆中，不需要动态分配内存、维护引用计数、管理它的生命周期等
   也不需要方法调用时执行objc_msgSend流程（消息发送、动态方法解析、消息转发）；
3. 在内存读取上有着3倍的效率，创建时比以前快106倍；
4. Tagged Pointer指针指向的不在是一个类，所以无法直接访问isa指针。

Tagged Pointer原理和底层实现：

1.Xcode设置环境变量

  Xcode默认情况下对Tagged Pointer进行了混淆；设置环境变量OBJC_DISABLE_TAG_OBFUSCATION为YES， 可以关闭 Tagged Pointer的数据混淆。
设置环境变量的步骤：
Edit Scheme -> Run Debug -> Arguments -> Environment Variables -> + -> OBJC_DISABLE_TAG_OBFUSCATION -> YES

代码如下：

- (void)taggedPointerNumber {
    NSNumber *number1 = @(0x1);
    NSNumber *number2 = @(0x20);
    NSNumber *number3 = @(0x3F);
    NSNumber *number4 = @(0xFFFFFFFFFFEFE);
    NSNumber *maxNum = @(MAXFLOAT);
    
    // 使用了Tagged Pointer，NSNumber对象的值直接存储在了指针上，不会在堆上申请内存。则使用一个NSNumber对象只需要指针的 8 个字节内存就够了，大大的节省了内存占用。
//    NSLog(@"%zd", malloc_size(number1);
    NSInteger number1Size = malloc_size((__bridge const void *)(number1));
    NSLog(@"占用堆内存=%zd", number1Size);
    NSLog(@"指针内存=%zd", sizeof(number1));
    // NSNumber普通对象，会在堆上申请内存
    NSInteger maxNumSize = malloc_size((__bridge const void *)(maxNum));
    NSLog(@"占用堆内存=%zd", maxNumSize);
    NSLog(@"指针内存=%zd", sizeof(maxNum));
    
    NSLog(@"%p %@ %@", number1, number1, number1.class);
    NSLog(@"%p %@ %@", number2, number2, number2.class);
    NSLog(@"%p %@ %@", number3, number3, number3.class);
    NSLog(@"%p %@ %@", number4, number4, number4.class);
    NSLog(@"%p %@ %@", maxNum, maxNum, maxNum.class);
}

/// ARM64开启混淆打印：
占用堆内存=0
指针内存=8
占用堆内存=32
指针内存=8
0x8b33564c2d3526b5 1 __NSCFNumber
0x8b33564c2d3524a5 32 __NSCFNumber
0x8b33564c2d352555 63 __NSCFNumber
0x8bcca9b3d2cac944 4503599627370238 __NSCFNumber
0x282dc8760 3.402823e+38 __NSCFNumber

/// ARM64关闭混淆打印：
占用堆内存=0
指针内存=8
占用堆内存=32
指针内存=8
0xb000000000000012 1 __NSCFNumber
0xb000000000000202 32 __NSCFNumber
0xb0000000000003f2 63 __NSCFNumber
0xb0ffffffffffefe3 4503599627370238 __NSCFNumber
0x281a2afe0 3.402823e+38 __NSCFNumber

1.内存
  number1只有栈上的指针内存；而maxNum不仅有指针内存，在堆中还分配了32字节的内存用于存储该变量的值。
2.指针

变量	指针值	10进制数值
number1	0xb000000000000012	1
number2	0xb000000000000202	32
number3	0xb0000000000003f2	63
number4	0xb0ffffffffffefe3	4503599627370238
maxNum	0x281a2afe0	3.402823e+38

  通过观察发现，对象的number1、number2、number3、number4都存储在了对应的指针中；而maxNum不同由于数据过大，导致无法 1 个指针 8 个字节的内存根本存不下，而申请了32字节堆内存。
3.Tagged Pointer和isa

isa和Tagged Pointer.png

  打断点，从上图可以看出，number1、number2、number3、number4的isa指向了0x0（即nil），是Tagged Pointer指针；maxNum指向了NSNumber类的isa指针。
4.Tagged Pointer位解析
  以number1的Tagged Pointer指针为例：

高位    <--     低位
0xb000000000000012

4.1最高位解析：
  0x为16进制标识符，在16进制中，一位数字代表二进制中的四位；
在ARM64架构下，Tagged Pointer的标识为二进制的最高位的四位，也就是16进制表示的从左向右的第一位：

/// 16进制的第一位，也是最高位
b
/// 16进制的b转换为二进制的四位，也是指针二进制最高四位
1011

  其中二进制中最高位是Tagged Pointer标识位，如例子中的的1，表示该指针是Tagged Pointer的指针；其它三位表示支持Tagged Pointer的类标识位，如例子中011，转化为10进制就是3，3在支持Tagged Pointer的系统类数组中代表NSNumber类。
runtime源码objc-internal.h中有关支持Tagged Pointer类的标志定义如下：

         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,

4.2末尾解析：
  Tagged Pointer16进制的末尾也就是二进制的低位的四位，表示的Tagged Pointer存储数据的类型标识符，例如number1末尾的2表示Tagged Pointer存储的是int的数据。

数据类型	标识符
char	0
short	1
int	2
long int	3
float	4
double	5

  除去高位和低位的标识位，中间这一部分才是真正存储值的区域。
注意：

1. NSString类型的Tagged Pointer指针与基本类型的指针是不一样的，末尾的数字为字符串的长度；
2. NSString类型的Tagged Pointer指针存储char类型，返回的是ASCII码（该值为16进制的，需要进行十进制转换）

- (void)taggedPointerString {
    NSMutableString *mutableStr = [NSMutableString string];
        NSString *immutable = nil;
        #define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)
        char c = 'a';
        do {
            [mutableStr appendFormat:@"%c", c++];
            immutable = [mutableStr copy];
            NSLog(@"%p %@ %@", immutable, immutable, immutable.class);
        }while(((uintptr_t)immutable & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK);
}

打印信息：

0xa000000000000611 a NSTaggedPointerString
0xa000000000062612 ab NSTaggedPointerString
0xa000000006362613 abc NSTaggedPointerString
0xa000000646362614 abcd NSTaggedPointerString
0xa000065646362615 abcde NSTaggedPointerString
0xa006665646362616 abcdef NSTaggedPointerString
0xa676665646362617 abcdefg NSTaggedPointerString
0xa0022038a0116958 abcdefgh NSTaggedPointerString
0xa0880e28045a5419 abcdefghi NSTaggedPointerString
0x280e3cb40 abcdefghij __NSCFString

Tagged Pointer标识位、类标识、数据类型做代码验证

1.Tagged Pointer标识位

  Tagged Pointer标识位即判断是否是Tagged Pointer指针的表示方法。该篇文章源码版本为objc4-818.2。
  在源码objc_internal.h中可以找到判断Tagged Pointer标识位的方法，如下代码：

static inline bool 
_objc_isTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
    return ((uintptr_t)ptr & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK;
}

  上面的代码将指针ptr和_OBJC_TAG_MASK掩码进行位与操作。这个掩码_OBJC_TAG_MASK的源码同样在objc_internal.h中可以找到：

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

#if OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)
#elif OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)
#else
#   define _OBJC_TAG_MASK 1UL

根据源码得知：
MacOS（x86_64和ARM64 M芯片）下采用 LSB（Least Significant Bit，即最低有效位）为Tagged Pointer标识位；（define _OBJC_TAG_MASK 1UL）
iOS（ARM64 A芯片）下则采用 MSB（Most Significant Bit，即最高有效位）为Tagged Pointer标识位。（define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)）

2. Tagged Pointer类标识

在源码objc_internal.h中可以查看到NSNumber、NSDate、NSString等类的标识位，如下：

    // 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,

    // 60-bit reserved
    OBJC_TAG_RESERVED_7        = 7, 

3. Tagged Pointer数据类型

Tagged Pointer16进制的最后一位（即2进制的最后四位）表示数据类型，例子如上述代码。见4.2末尾解析。

参考链接：

iOS内存管理之Tagged Pointer