objc使用TaggedPointer的原因
TaggedPointer是一個能夠提升性能, 節(jié)省內(nèi)存的技術(shù). NSString, NSNumber中就采用了這個技術(shù).
對象在內(nèi)存中都是對齊的, 它們的地址總是指針大小的整數(shù)倍, 通常是16的倍數(shù). 在64位系統(tǒng)中, 對象指針是一個64位的整數(shù), 為了對齊, 對象指針的一些位永遠是0.
舉一個例子, 假設(shè)要存儲一個NSNumber對象,其值是一個整數(shù). 正常情況下, 如果這個整數(shù)只是一個NSInteger的普通變量, 那么它所占用的內(nèi)存是與CPU的位數(shù)有關(guān), 在32位CPU下占4個字節(jié), 在64位CPU下是占8個字節(jié)的. 而指針類型的大小通常也是與CPU位數(shù)相關(guān), 一個指針所占用的內(nèi)存在32位CPU下為4個字節(jié), 在64位CPU下也是8個字節(jié). 所以一個普通的iOS程序, 如果沒有TaggedPointer對象, 從32位機器遷移到64位機器中后, 雖然邏輯沒有任何變化, 但這種NSNumber、NSDate一類的對象所占用的內(nèi)存會翻倍焚碌。
與此同時, 在沒有使用TaggedPointer之前, NSNumber等對象需要動態(tài)分配內(nèi)存、維護引用計數(shù)等届吁，NSNumber指針存儲的是堆中NSNumber對象的地址值.
為了改進上面提到的內(nèi)存占用和效率問題, 蘋果提出了TaggedPointer對象. 由于NSNumber, NSDate, NSString等類的變量本身的值需要占用的內(nèi)存大小常常不需要8個字節(jié), 拿整數(shù)來說, 4個字節(jié)所能表示的有符號整數(shù)就可以達到20多億(注：2^31=2147483648错妖，另外1位作為符號位), 對于絕大多數(shù)情況都是可以處理的.
在使用TaggedPointer之后, NSNumber指針里面存儲的數(shù)據(jù)變成了: Tag + Data.
因此可以說使用了TaggedPointer以后, 對象指針是一個偽指針, 不再指向?qū)ο笤诙焉系牡刂? 也就是將數(shù)據(jù)直接存儲在了指針中, 當指針不夠存儲數(shù)據(jù)時, 才會使用動態(tài)分配內(nèi)存的方式來存儲數(shù)據(jù).
如何判斷一個對象指針是否是TaggedPointer
我們通過objc判斷該對象指針是否是TaggedPointer, 通過查看對象指針的tag bit是否為1來判斷, 源碼如下:
//如果是iOS平臺, 最高有效位是1（第64bit, 使用高位優(yōu)先規(guī)則 MSB)
#define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)
//如果是mac平臺, 最低有效位是1(低位優(yōu)先規(guī)則 LSB)
#define _OBJC_TAG_MASK 1UL
// objc-object.h 中
inline bool objc_object::isTaggedPointer() {
return _objc_isTaggedPointer(this);
}
// objc-internal.h 中
static inline bool _objc_isTaggedPointer(const void * _Nullable ptr) {
return ((uintptr_t)ptr & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK;
}
結(jié)論: 使用對象指針的最高位bit或者最低位bit來標識該指針是否是Tagged Pointer.
為什么可以通過設(shè)定最高位或者最低位是否為 1 來標識呢?
因為在對象指針變量分配內(nèi)存的時候, 都是按2的整數(shù)倍來分配的, 這樣分配出來的正常內(nèi)存地址末位不可能為1, 這樣通過將最低標識為 1, 就可以和其他正常指針做出區(qū)分.
那么為什么最高位為 1, 也可以標識呢？
這是因為64位操作系統(tǒng), 設(shè)備一般沒有那么大的內(nèi)存, 所以內(nèi)存地址一般只有 48 個左右有效位, 也就是說高位的 16 位左右都為 0, 所以可以通過最高位標識為 1 來表示TaggedPointer. 那么既然一位就可以標識TaggedPointer了其他的信息是干嘛的呢? 我們可以想象, 要有一些bit位來表示這個指針對應(yīng)的類型, 不然拿到一個TaggedPointer的時候我們不知道類型, 就無法解析成對應(yīng)的值疚沐。
從源碼中我們可以有如下注釋, 我進行了翻譯:
/***********************************************************************
* Tagged pointer objects. - 對于 TaggedPointer 對象的描述
*
* Tagged pointer objects store the class and the object value in the
* object pointer; the "pointer" does not actually point to anything.
* TaggedPointer對象的內(nèi)容, 是將對象指針(object pointer)用來保存類(class)和對象值(object value)!!! `pointer`指針并沒有指向任何對象(obejct), 我們稱這個為偽指針!!!
*
* Tagged pointer objects currently use this representation:
* (LSB) 低bit
* 1 bit set if tagged, clear if ordinary object pointer
* 3 bits tag index -- 用來表示 object的class
* 60 bits payload -- 這個負載是 object的class定義的內(nèi)容(NSString, NSNumber定義的內(nèi)容不同)
* (MSB) 高bit
* The tag index defines the object's class.
* The payload format is defined by the object's class.
*
* If the tag index is 0b111, the tagged pointer object uses an
* "extended" representation, allowing more classes but with smaller payloads:
* 如果tagindex的內(nèi)容是`ob111`, 這個`TaggedPointer`對象使用的是`extended`擴展描述法, 這個偽指針可以支持更多的類, 但是對應(yīng)的用來描述object值的bits減少成52bits
* (LSB) -- 低bit
* 1 bit set if tagged, clear if ordinary object pointer - 用來展示當前對象指針是taggedPointer還是普通對象指針!!!
* 3 bits 0b111 -- 描述是否是 extended tagged pointer
* 8 bits extended tag index -- 擴展 tag index
* 52 bits payload -- 具體的 objct值
* (MSB) -- 高bit
*
* Some architectures reverse the MSB and LSB in these representations.
*
* This representation is subject to change. Representation-agnostic SPI is:
* objc-internal.h for class implementers.
* objc-gdb.h for debuggers.
**********************************************************************/
總而言之:
- 低地址中最低的1bit, 標志當前對象指針(object pointer)是否是
TaggedPointer. - 接著3bit位(轉(zhuǎn)化成10進制是 0~7), 標志當前對象是哪個類的內(nèi)容, 具體標志的內(nèi), 通過下面的枚舉能看到, 常用的是
OBJC_TAG_NSString和OBJC_TAG_NSNumber, 分別是2和3. - 如果
tagged index == 0b111, 標志extended tag index. - 其余的60bit 或者 52bit 就用來存儲具體的 object value.(如果tag index對應(yīng)是NSString, object value 是經(jīng)過編碼的, 參考文章中有具體的編碼方法)
這樣, 通過TaggedPointer這種偽指針方法, 一次性將class - objectValue放在對象指針中, 即節(jié)省內(nèi)存, 又提高了效率. 當然如果60bit/52bit還不能滿足object value的范圍, objc仍然會把它當做普通對象指針處理!!!
// 具體 tag index 與類關(guān)系如下
enum {
// 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,
...
OBJC_TAG_First60BitPayload = 0,
OBJC_TAG_Last60BitPayload = 6,
OBJC_TAG_First52BitPayload = 8,
OBJC_TAG_Last52BitPayload = 263,
OBJC_TAG_RESERVED_264 = 264
};
TaggedPointer使用的實例
可以參考文獻, 其中有TaggedPointer在NSNumber和NSString中的實踐應(yīng)用.
注意NSString到最后使用成為: NSTaggedPointerString 和 __NSCFString
參考
1 [譯]采用Tagged Pointer的字符串
2 深入理解Tagged Pointer
3 內(nèi)存管理-Tagged Pointer
