1、原有系统的问题

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通常也与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。
所以，一个普通的iOS程序，如果没有Tagged Pointer(标记指针)对象，从32位机器迁移到64位机器中后，虽然逻辑上没有任何变化，但这种NSNumber、NSDate一类的对象所占用的内存会翻倍。

再看看效率，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，管理它的生命周期。这些都给程序增加了额外的逻辑，造成运行效率上的损失。 image.png

2、Tagged Pointer介绍

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，另外一位作为符号位)，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： image.png 对此我们可以用代码进行验证：

        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);

image.png

我们将NSNumber类型的指针在64位CPU下直接输出，除去末尾的2和开头的0xb其他的数字刚好表示响应NSNumber的值。猜测：末尾的2和最开头0xb就是Tagged Pointer的特殊标记！？
我们继续验证，尝试方一个8字节长的整数到NSNumber实例中，这样的实例，Tagged Pointer无法将其按上面的压缩方式来保存：

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

打印结果：bigNumber pointer is 0x600000029520

Tagged Pointer特点：

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，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. 在内存读取上有着以前3倍的效率，创建时比以前快106倍！

结论：

• 当8个字节可以承载用于表示的数值时，系统会以Tagged Pointer的方式生成指针，如果8个字节承载不了时，则又用以前的方式生产普通的指针！！
• 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！！

3、注意事项和实现细节

3.1 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做对象来使用，可能会出问题，比如：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，以为不是真正的对象，所以你如果直接访问Tagged Pointer的isa成员的话，在编译时会有警告：

obj->isa

我们应该尽量避免上述写法，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就可以了！

3.2 引用计数

对于64位设备，苹果除了引入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：

1. 获得全局的记录引用计数的hash表
2. 为了线程安全，给该hash表枷锁
3. 查找到目标对象的引用计数值
4. 将该引用计数值加1，写回hash表
5. 给该hash表解锁

从上面步骤来看，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位的，实际作为指针部分只用到了33位，剩余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，所以这样引用计数的更改销量会更高！
在64位环境下，新的retain操作包括如下5个步骤：

1. 检查isa指针上面的标记位，看引用计数是否保存在isa变量中，如果不是，则使用以前的步骤，否则执行第2步
2. 检查当前对象是否正在释放，如果是，则不做任何事情
3. 增加该对象的引用计数，但是并不是马上写回到isa变量中
4. 检查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
5. 进行一个原子的写操作，将isa的值写回

由于没有了全局的加锁操作，所以引用计数的更改更快了！

3.3 isa的bit位

image.png

union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x00000001fffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003fe00000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a400000001ULL
    struct {
        uintptr_t indexed           : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 30; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1a0000000
        uintptr_t magic             : 9;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 19;
#       define RC_ONE   (1ULL<<45)
#       define RC_HALF  (1ULL<<18)
    };
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x0000000000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x0000000000000001ULL
    struct {
        uintptr_t indexed           : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 44; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 14;
#       define RC_ONE   (1ULL<<50)
#       define RC_HALF  (1ULL<<13)
    };
# else
    // Available bits in isa field are architecture-specific.
#   error unknown architecture
# endif
// SUPPORT_NONPOINTER_ISA
#endif
};

SUPPORT_NONPOINTER_ISA 用于标记是否支持优化的 isa 指针，其字面含义意思是 isa 的内容不再是类的指针了，而是包含了更多信息，比如引用计数，析构状态，被其他 weak 变量引用情况。判断方法也是根据设备类型：

#if !__LP64__  ||  TARGET_OS_WIN32  ||  TARGET_IPHONE_SIMULATOR  ||  __x86_64__
#   define SUPPORT_NONPOINTER_ISA 0
#else
#   define SUPPORT_NONPOINTER_ISA 1
#endif

我们可以看到，模拟器也是不支持Tagged Pointer的！
参考：isa 指针 和 IMP 指针