[iOS开发]Tagged Pointer对象

自2013年苹果推出iphone5s之后，iOS的寻址空间扩大到了64位。我们可以用63位来表示一个数字(一位做符号位)。那么这个数字的范围是2^63 ,很明显我们一般不会用到这么大的数字，那么在我们定义一个数字时NSNumber *num = @100，实际上内存中浪费了很多的内存空间。当然苹果肯定也认识到了这个问题，于是就引入了Tagged pointer，Tagged pointer是一种特殊的“指针”，其特殊在于，其实它存储的并不是地址，而是真实的数据和一些附加的信息。

原有系统的问题

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，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。请添加图片描述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介绍

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 的内存图变成了下面这样：请添加图片描述我们先看下下面这段代码：

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
for (int i = 0; i < 1000; i ++) {
	dispatch_async(queue, ^{
		self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijklmn"];
	});
}
NSLog(@"end");

运行结果：崩溃（坏内存访问）请添加图片描述原因分析：因为setter方法中，对strong修饰的属性会有一个retain和release的操作。在并发多线程的赋值操作中，都是对_name指针进行的操作，可能在_name刚刚被release后进行赋值操作，这个时候_name指向的内存地址是已经被释放了，所以造成了坏内存访问崩溃。

- (void)setName:(NSString *)name {
    [name retain];
    [_name relase];
    _name = name;
}

解决办法：

将并发执行的任务改为串行执行

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("queue", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);

将异步执行改为同步执行

dispatch_sync(queue, ^{
 	self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijklmn"];
});

将属性改为atomic属性原子性
加锁

myClass *test = [[myClass alloc] init];
NSLock *lock = [[NSLock alloc] init];
dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("queue", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
for (int i = 0; i < 1000; i ++) {
	dispatch_async(queue, ^{
		[lock lock];
		test.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghijklmn"];
		[lock unlock];
	});
}
NSLog(@"end");

再看以下代码执行结果是什么，不崩溃了。因为没有用到引用计数的内存管理方法，使用的是Tagged Pointer。

TaggedPointer 结构

苹果为了安全对其做了编码，runtime内部实现了编码、解码方法，我们看一下：编码：

static inline void * _Nonnull
_objc_encodeTaggedPointer(uintptr_t ptr)
{
    uintptr_t value = (objc_debug_taggedpointer_obfuscator ^ ptr);
#if OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS
    if ((value & _OBJC_TAG_NO_OBFUSCATION_MASK) == _OBJC_TAG_NO_OBFUSCATION_MASK)
        return (void *)ptr;
    uintptr_t basicTag = (value >> _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT) & _OBJC_TAG_INDEX_MASK;
    uintptr_t permutedTag = _objc_basicTagToObfuscatedTag(basicTag);
    value &= ~(_OBJC_TAG_INDEX_MASK << _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT);
    value |= permutedTag << _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT;
#endif
    return (void *)value;
}

里面进行了一系列的位运算。我们可以试着打印地址：

NSNumber *number1 = [NSNumber numberWithInt:1];
NSLog(@"number1 pointer is %p", number1);

输出：

number1 pointer is 0xbb027d74df7d32ea

可见，这个地址是被编码过的。通过资料的查询，我们可以对其结构有个了解：

Tagged Pointer 标记：x86最后一位是标记位，arm64最高位是标记位。1表示是Tagged Pointer对象，0表示是普通对象。
Tag：对象类型标记。x86为1~3位，arm64为0~2。7表示有扩展信息。
Extended：x86为4~11位，arm64为54~62。用来扩展更多类型。
payload：有效负载。存储真正的数据（除了标记位、tag以及extended），不过为了安全苹果做了编码。

payload 代表有效负载，源码中有这样的注释：请添加图片描述这里可以看出需要经过 decoded_obj 加上一些位运算操作得到，说明是一个加密解密的过程，下面我们来看一下 decode：

static inline uintptr_t
_objc_decodeTaggedPointer_noPermute(const void * _Nullable ptr)
{
    uintptr_t value = (uintptr_t)ptr;
#if OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS
    if ((value & _OBJC_TAG_NO_OBFUSCATION_MASK) == _OBJC_TAG_NO_OBFUSCATION_MASK)
        return value;
#endif
    return value ^ objc_debug_taggedpointer_obfuscator;
}

static inline uintptr_t
_objc_decodeTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
    uintptr_t value = _objc_decodeTaggedPointer_noPermute(ptr);
#if OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS
    uintptr_t basicTag = (value >> _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT) & _OBJC_TAG_INDEX_MASK;

    value &= ~(_OBJC_TAG_INDEX_MASK << _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT);
    value |= _objc_obfuscatedTagToBasicTag(basicTag) << _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT;
#endif
    return value;
}

它是由两个过程融合的。_objc_decodeTaggedPointer_noPermute()这个函数结束最后返回的 value 等于 value ^ objc_debug_taggedpointer_obfuscator，而 objc_debug_taggedpointer_obfuscator 代表混淆，在initializeTaggedPointerObfuscator()里可以看到它的初始化：

if (!DisableTaggedPointerObfuscation && dyld_program_sdk_at_least(dyld_fall_2018_os_versions)) {
    // Pull random data into the variable, then shift away all non-payload bits.
    arc4random_buf(&objc_debug_taggedpointer_obfuscator,
                   sizeof(objc_debug_taggedpointer_obfuscator));
    objc_debug_taggedpointer_obfuscator &= ~_OBJC_TAG_MASK;

#if OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS
    // The obfuscator doesn't apply to any of the extended tag mask or the no-obfuscation bit.
    objc_debug_taggedpointer_obfuscator &= ~(_OBJC_TAG_EXT_MASK | _OBJC_TAG_NO_OBFUSCATION_MASK);

    // Shuffle the first seven entries of the tag permutator.
    int max = 7;
    for (int i = max - 1; i >= 0; i--) {
        int target = arc4random_uniform(i + 1);
        swap(objc_debug_tag60_permutations[i],
             objc_debug_tag60_permutations[target]);
    }
#endif
}

是赋随机值。接下来我们去源码里看看tag的值和代表的类型：

{
    // 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,

    // 60-bit reserved
    OBJC_TAG_RESERVED_7        = 7,

    // 52-bit payloads
    OBJC_TAG_Photos_1          = 8,
    OBJC_TAG_Photos_2          = 9,
    OBJC_TAG_Photos_3          = 10,
    OBJC_TAG_Photos_4          = 11,
    OBJC_TAG_XPC_1             = 12,
    OBJC_TAG_XPC_2             = 13,
    OBJC_TAG_XPC_3             = 14,
    OBJC_TAG_XPC_4             = 15,
    OBJC_TAG_NSColor           = 16,
    OBJC_TAG_UIColor           = 17,
    OBJC_TAG_CGColor           = 18,
    OBJC_TAG_NSIndexSet        = 19,
    OBJC_TAG_NSMethodSignature = 20,
    OBJC_TAG_UTTypeRecord      = 21,

    // When using the split tagged pointer representation
    // (OBJC_SPLIT_TAGGED_POINTERS), this is the first tag where
    // the tag and payload are unobfuscated. All tags from here to
    // OBJC_TAG_Last52BitPayload are unobfuscated. The shared cache
    // builder is able to construct these as long as the low bit is
    // not set (i.e. even-numbered tags).
    OBJC_TAG_FirstUnobfuscatedSplitTag = 136, // 128 + 8, first ext tag with high bit set

    OBJC_TAG_Constant_CFString = 136,

    OBJC_TAG_First60BitPayload = 0,
    OBJC_TAG_Last60BitPayload  = 6,
    OBJC_TAG_First52BitPayload = 8,
    OBJC_TAG_Last52BitPayload  = 263,

    OBJC_TAG_RESERVED_264      = 264
};

接下来，我们使用系统的方法解析一下地址，按照，看一下它们代表的真实含义吧：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        NSNumber *number0 = [NSNumber numberWithInt:0];
        NSNumber *number1 = [NSNumber numberWithInt:1];
        NSNumber *number2 = [NSNumber numberWithInt:2];
        NSNumber *number3 = [NSNumber numberWithInt:3];
        NSNumber *number4 = [NSNumber numberWithInt:4];
        NSNumber *number50 = [NSNumber numberWithInt:50];
        
#pragma mark number1
        NSLog(@"number1 pointer is %p---PointerValue:==0x%lx", number1, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge void *)(number1)));
        NSLog(@"    decode:==0x%lx tag:%hu", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(number1)), _objc_getTaggedPointerTag((__bridge void *)(number1)));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%lx", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(number1))]));
#pragma mark number2
        NSLog(@"number2 pointer is %p---PointerValue:==0x%lx", number2, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge void *)(number2)));
        NSLog(@"    decode:==0x%lx tag:%hu", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(number2)), _objc_getTaggedPointerTag((__bridge void *)(number2)));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%lx", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(number2))]));
#pragma mark number3
        NSLog(@"number3 pointer is %p---PointerValue:==0x%lx", number3, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge void *)(number3)));
        NSLog(@"    decode:==0x%lx tag:%hu", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(number3)), _objc_getTaggedPointerTag((__bridge void *)(number3)));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%lx", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(number3))]));
#pragma mark number50
        NSLog(@"number50 pointer is %p---PointerValue:==0x%lx", number50, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge void *)(number50)));
        NSLog(@"    decode:==0x%lx tag:%hu", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(number50)), _objc_getTaggedPointerTag((__bridge void *)(number50)));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%lx", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(number50))]));
        
        
        NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@"a"];
        NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@"ab"];
        NSString *str3 = [NSString stringWithFormat:@"abc"];
        NSString *str4 = [NSString stringWithFormat:@"abcf"];
#pragma mark str1
        NSLog(@"str1 pointer is %p---PointerValue:==0x%lx", str1, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge void *)(str1)));
        NSLog(@"    %@", binForObjectPointer(str1));
        NSLog(@"    decode:==0x%lx tag:%hu", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(str1)), _objc_getTaggedPointerTag((__bridge void *)(str1)));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%lx", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(str1))]));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%p", str1]));
#pragma mark str2
        NSLog(@"str2 pointer is %p---PointerValue:==0x%lx", str2, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge void *)(str2)));
        NSLog(@"    decode:==0x%lx tag:%hu", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(str2)), _objc_getTaggedPointerTag((__bridge void *)(str2)));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%lx", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(str2))]));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%p", str2]));
#pragma mark str3
        NSLog(@"str3 pointer is %p---PointerValue:==0x%lx", str3, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge void *)(str3)));
        NSLog(@"    decode:==0x%lx tag:%hu", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(str3)), _objc_getTaggedPointerTag((__bridge void *)(str3)));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%lx", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(str3))]));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%p", str3]));
#pragma mark str4
        NSLog(@"str4 pointer is %p---PointerValue:==0x%lx", str4, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge void *)(str4)));
        NSLog(@"    decode:==0x%lx tag:%hu", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(str4)), _objc_getTaggedPointerTag((__bridge void *)(str4)));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%lx", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(str4))]));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%p", str4]));
#pragma mark indexPath
        NSIndexPath *indexPath = [[NSIndexPath alloc] initWithIndex:4];
        NSLog(@"indexPath pointer is %p---PointerValue:==0x%lx", indexPath, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge void *)(indexPath)));
        NSLog(@"    decode:==0x%lx tag:%hu", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(indexPath)), _objc_getTaggedPointerTag((__bridge void *)(indexPath)));
        NSLog(@"    %@", getBinaryByHex([NSString stringWithFormat:@"%lx", _objc_decodeTaggedPointer((__bridge void *)(indexPath))]));
        
        
    }
    return 0;
}

输出：请添加图片描述可以看出，解析出来的tag就对应着它们的类型，看一下解析tag的方法：

static inline objc_tag_index_t
_objc_getTaggedPointerTag(const void * _Nullable ptr)
{
    // ASSERT(_objc_isTaggedPointer(ptr));
    uintptr_t value = _objc_decodeTaggedPointer(ptr);
    uintptr_t basicTag = (value >> _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT) & _OBJC_TAG_INDEX_MASK;
    uintptr_t extTag =   (value >> _OBJC_TAG_EXT_INDEX_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_INDEX_MASK;
    if (basicTag == _OBJC_TAG_INDEX_MASK) {
        return (objc_tag_index_t)(extTag + OBJC_TAG_First52BitPayload);
    } else {
        return (objc_tag_index_t)basicTag;
    }
}

解析出来的pointerValue就代表着他们的值：NSNumber类后一位前的十六进制代表它们的真实值；NSString最后一位代表字符串长度，后面每两位代表ASCII码值。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。

特点

我们也可以看到苹果对于Tagged Pointer 特点的介绍：

Tagged Pointer 专门用来存储小的对象，例如 NSNumber 和 NSDate。
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”的普通变量而己。所以，它的内存并不存储在堆中，也不需要 malloc 和free。
在内存读取上有着以前3倍的效率，创建时比以前快 106倍

因此，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。

注意事项

isa指针

Tagged Pointer 的引入也带来了问题，即 Tagged Pointer 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用，可能会让它“露马脚”。在上一章中我们写道，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。

64位下的isa指针优化

对于 64位设备，苹果除了引人 Tagged Pointer 来优化小的对象外，对于普通的对象，其isa指针也进行了优化和调整。在32 位环境下，对象的引用计数都保存在一个外部的表中，每一个对象的 Retain 操作，实际上包括如下 5个步骤：

获得全局的记录引用计数的hash 表。
为了线程安全，给该hash 表加锁。
查找到目标对象的引用计数值。
将该引用计数值加1，写回hash 表。
给该hash 表解锁。

从上面的步骤我们可以看出，为了保证线程安全，对引用计数的增减操作都要先锁定这个表，这从性能上看是非常差的。而在 64 位环境下，isa 指针也是64 位，实际作为指针部分只用到的其中33位，剩余的 31位苹果使用了类似 Tagged Pointer 的概念，其中 19 位将保存对象的引1用计数，这样对引用计数的操作只需要修改这个指针即可。只有当引用计数超出19位，才会将引用计数保存到外部表，而这种情况是很少的，所以这样引用计数的更改效率会更高。与前面的5个步骤对应，在64位环境下，新的 Retain 操作包括如下 5个步骤：

检查 isa 指针上面的标记位，看引1用计数是否保存在 isa变量中，如果不是，则使用以前的步骤，否则执行第2步
检查当前对象是否正在释放，如果是，则不做任何事情。
增加该对象的引用计数，但是并不马上写回到isa 变量中。
检杳增加后的引用计数的值是否能够被 19 位表示，如果不是，则切换成以前的办法，否则执行第5步。
进行一个原子的写操作，将isa 的值写回。

虽然步骤都是 5步，但是由于没有了全局的加锁操作，所以引用计数的更改更快了。