[iOS] 内存管理-Tagged Pointer

前言：在之前分析 isa结构，还有引用计数的管理时，会遇到 isTaggedPointer的判断，这里就来学习一下Tagged Pointer到底是个啥？

1. Tagged Pointer介绍

1.1 为什么要使用 Tagged Pointer

在 2013 年，苹果推出了iPhone 5s，配备了首个采用64 位架构的 A7 双核处理器，指针变量的内存占用由32 位(4字节)变成了 64 位(8字节)。OC 对象都是存储在堆上面的，并且在栈上有一个指针指向了堆的内存地址，对于一些变量，比如@(1)，@"abc"，如果同时在栈和堆上都取分配内存空间的话，就很浪费了，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，影响运行效率。

为了改进上面上面所提出的问题，苹果提出了Tagged Pointer对象。由于 NSNumber、NSDate、NSString一类的变量本身的值占用的内存大小多数情况下不需要 8 个字节，就比如整数，4 个字节所能表示的有符号整数就可以达到2147483648，对于绝大多数情况都是可以处理的。

1.2 Tagged Pointer到底是是什么？

所以苹果将一个对象的指针拆成了两部分：本身数据 + 特殊标记，表示这是一个特别的指针，不指向任何一个地址，这个特别的指针就是 Tagged Pointer，如下图所示：

image.jpeg

由于Tagged Pointer 不指向任何一个地址，所以在对象进行retain或者release操作时，都会判断isTaggedPointer，如果为true，则不进行操作，也就是说我们并需要去管理它的生命周期，如下：

__attribute__((aligned(16), flatten, noinline))
id 
objc_retain(id obj)
{
    if (!obj) return obj;
    if (obj->isTaggedPointer()) return obj;
    return obj->retain();
}


__attribute__((aligned(16), flatten, noinline))
void 
objc_release(id obj)
{
    if (!obj) return;
    if (obj->isTaggedPointer()) return;
    return obj->release();
}

2. 判断是否为Tagged Pointer

我们运行下面的代码，去看下 Tagged Pointer 指针地址的含义：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view.
    
    NSNumber *number1 = @1;
    NSLog(@"number1 %p %@", number1, [number1 class]);
    NSNumber *number2 = @2;
    NSLog(@"number2 %p %@", number2, [number2 class]);

    NSString *a = [[@"a" mutableCopy] copy];
    NSLog(@"a %p %@", a, [a class]);
    NSString *ab = [[@"ab" mutableCopy] copy];
    NSLog(@"ab %p %@", ab, [ab class]);
}

如果在之前，输出的结果会如下所示：

number1 0xb000000000000012 __NSCFNumber
number2 0xb000000000000022 __NSCFNumber
a 0xa000000000000611 NSTaggedPointerString
ab 0xa000000000062612 NSTaggedPointerString

去除前后的标识，剩下的中间值就是我们设置的变量的值。

但是实际上，输出如下：

number1 0xe629750fa0a06e3c __NSCFNumber
number2 0xe629750fa0a06e0c __NSCFNumber
a 0xf629750fa0a0683f NSTaggedPointerString
ab 0xf629750fa0a6483c NSTaggedPointerString

我们可以看到字符串的类型仍然为NSTaggedPointerString，但是对象地址看起来跟正常的一样了，这是因为在某个时间结点（不太清楚啥时候，但不重要）之后，对于 TaggedPointer 地址进行了混淆操作，那我们可以通过查看isTaggedPointer方法实现，去判断一个针是否为TaggedPointer，源码如下：

#if (TARGET_OS_OSX || TARGET_OS_IOSMAC) && __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_MSB_TAGGED_POINTERS
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)
#else
#   define _OBJC_TAG_MASK 1UL
#endif

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

从上面可以看到判断是否Tagged Pointer，仅仅是将地址和_OBJC_TAG_MASK进行一个与运算，将其结果和_OBJC_TAG_MASK进行比对。_OBJC_TAG_MASK在Mac OS下为1UL，其他平台下为1UL<<63。

这个方法其实相当于判断地址最高位是否为 1，为 1 则说明是Tagged Pointer，为啥是判断地址最高位是否为 1？需要去学习一下&与操作了。

我们将上面打印出的第一个字符串的地址：0xf629750fa0a0683f，转成二进制：

image.png

可以看到最高位为 1，说明确实是Tagged Pointer。

我们将 NSNumber 对象的地址转成 2 进制之后，首位也是 1，说明也是Tagged Pointer，但是打印出的类型不像字符串那样NSTaggedPointerString直接能看出来是Tagged Pointer，可能是苹果并没有为 NSNumber 类设计一个单独的 class 来表示Tagged Pointer。

3. Tagged Pointer类型区分

上面我们知道了如何判断一个对象指针是否为Tagged Pointer，但是NSNumber 、NSString 都有可能是Tagged Pointer，怎么去区分其类型呢？我们需要获取到混淆之前的地址，可以在源码中通过objc_debug_taggedpointer_obfuscator查找TaggedPointer的编码和解码，来查看底层是如何混淆处理的：

static inline void * _Nonnull
_objc_encodeTaggedPointer(uintptr_t ptr)
{
    return (void *)(objc_debug_taggedpointer_obfuscator ^ ptr);
}

static inline uintptr_t
_objc_decodeTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
    return (uintptr_t)ptr ^ objc_debug_taggedpointer_obfuscator;
}

我们看到在编码时是将指针地址和objc_debug_taggedpointer_obfuscator进行了一次异或，objc_debug_taggedpointer_obfuscator的赋值方法，如下：

static void
initializeTaggedPointerObfuscator(void)
{
    if (sdkIsOlderThan(10_14, 12_0, 12_0, 5_0, 3_0) ||
        // Set the obfuscator to zero for apps linked against older SDKs,
        // in case they're relying on the tagged pointer representation.
        DisableTaggedPointerObfuscation) {
        objc_debug_taggedpointer_obfuscator = 0;
    } else {
        // Pull random data into the variable, then shift away all non-payload bits.
        arc4random_buf(&objc_debug_taggedpointer_obfuscator,
                       sizeof(objc_debug_taggedpointer_obfuscator));
        // #   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63) 就是判断时 & 的 _OBJC_TAG_MASK
        objc_debug_taggedpointer_obfuscator &= ~_OBJC_TAG_MASK;
    }
}

为了获取小对象的真实地址，我们可以将解码的源码拷贝到外面，将混淆之后的地址进行解码，如下所示：

image.jpeg

观察解码后的小对象地址，其中的62表示b的ASCII码，再以NSNumber为例，同样可以看出，1就是我们实际的值：

image.png

到这里，我们验证了小对象指针地址中确实存储了值，那么小对象地址高位其中的0xa、0xb又是什么含义呢？

//NSString
0xa000000000000621

//NSNumber
0xb000000000000012
0xb000000000000025

0xa转换成二进制为 1 010（64为为1，63~61后三位表示 tagType类型 - 2），表示NSString类型

0xb 转换为二进制为 1 011（64为为1，63~61后三位表示 tagType类型 - 3），表示NSNumber类型，这里需要注意一点，如果NSNumber的值是-1，其地址中的值是用补码表示的。

这里可以通过_objc_makeTaggedPointer方法的参数tag类型objc_tag_index_t进入其枚举，其中 2表示NSString，3表示NSNumber：

image.png

4. 总结

• Tagged Pointer 其实是地址 + 值，并不是真正的对象，只是一个披着对象皮的普通变量。可以直接进行读取，占用空间小，节省内存；
• Tagged Pointer在retain 和 release时，都直接返回了，不需要管理其生命周期；
• Tagged Pointer 并不会存储在堆中，而是在常量区，也不需要malloc和free，所以可以直接读取，相比存储在堆区的数据读取，效率上快了3倍左右，创建的效率相比堆区快了近100倍左右；
• Tagged Pointer的64位地址中，前4位代表类型，后4位主要适用于系统做一些处理，中间56位用于存储值；
• 对于NSString来说，当字符串较小时，建议直接通过@""初始化，因为存储在常量区，可以直接进行读取，会比WithFormat初始化方式更加快速。