前言
在 2013 年 9 月，蘋果推出了 iPhone5s，與此同時，iPhone5s 配備了首個采用 64 位架構的 A7 雙核處理器编矾，為了節(jié)省內存和提高執(zhí)行效率，蘋果提出了Tagged Pointer的概念馁害。對于 64 位程序窄俏，引入 Tagged Pointer 后，相關邏輯能減少一半的內存占用碘菜，以及 3 倍的訪問速度提升凹蜈，100 倍的創(chuàng)建、銷毀速度提升忍啸。本文從Tagged Pointer試圖解決的問題入手仰坦，帶領讀者理解Tagged Pointer的實現細節(jié)和優(yōu)勢，最后指出了使用時的注意事項吊骤。
問題
我們先看看原有的對象為什么會浪費內存。假設我們要存儲一個 NSNumber 對象静尼，其值是一個整數白粉。正常情況下，如果這個整數只是一個 NSInteger 的普通變量鼠渺，那么它所占用的內存是與 CPU 的位數有關鸭巴，在 32 位 CPU 下占 4 個字節(jié)，在 64 位 CPU 下是占 8 個字節(jié)的拦盹。而指針類型的大小通常也是與 CPU 位數相關鹃祖，一個指針所占用的內存在 32 位 CPU 下為 4 個字節(jié)，在 64 位 CPU 下也是 8 個字節(jié)普舆。
所以一個普通的 iOS 程序恬口，如果沒有Tagged Pointer對象校读，從 32 位機器遷移到 64 位機器中后，雖然邏輯沒有任何變化祖能，但這種 NSNumber歉秫、NSDate 一類的對象所占用的內存會翻倍。如下圖所示：
我們再來看看效率上的問題养铸，為了存儲和訪問一個 NSNumber 對象雁芙，我們需要在堆上為其分配內存，另外還要維護它的引用計數钞螟，管理它的生命期兔甘。這些都給程序增加了額外的邏輯，造成運行效率上的損失鳞滨。
Tagged Pointer
為了改進上面提到的內存占用和效率問題洞焙，蘋果提出了Tagged Pointer對象。由于 NSNumber太援、NSDate 一類的變量本身的值需要占用的內存大小常常不需要 8 個字節(jié)闽晦，拿整數來說，4 個字節(jié)所能表示的有符號整數就可以達到 20 多億（注：2^31=2147483648提岔，另外 1 位作為符號位)仙蛉，對于絕大多數情況都是可以處理的。
所以我們可以將一個對象的指針拆成兩部分碱蒙，一部分直接保存數據荠瘪，另一部分作為特殊標記，表示這是一個特別的指針赛惩，不指向任何一個地址哀墓。所以，引入了Tagged Pointer對象之后喷兼，64 位 CPU 下 NSNumber 的內存圖變成了以下這樣：
對此篮绰，我們也可以用 Xcode 做實驗來驗證。我們的實驗代碼如下：
int main(int argc, char * argv[])
{
@autoreleasepool {
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);
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
}
}
在該代碼中季惯，我們將幾個 Number 類型的指針的值直接輸出吠各。需要注意的是，我們需要將模擬器切換成 64 位的 CPU 來測試勉抓，如下圖所示：
運行之后贾漏，我們得到的結果如下，可以看到藕筋，除去最后的數字最末尾的 2 以及最開頭的 0xb纵散，其它數字剛好表示了相應 NSNumber 的值。
number1 pointer is 0xb000000000000012
number2 pointer is 0xb000000000000022
number3 pointer is 0xb000000000000032
numberFFFF pointer is 0xb0000000000ffff2
可見，蘋果確實是將值直接存儲到了指針本身里面伍掀。我們還可以猜測掰茶，數字最末尾的 2 以及最開頭的 0xb 是否就是蘋果對于Tagged Pointer的特殊標記呢？我們嘗試放一個 8 字節(jié)的長的整數到NSNumber實例中硕盹，對于這樣的實例符匾，由于Tagged Pointer無法將其按上面的壓縮方式來保存，那么應該就會以普通對象的方式來保存瘩例，我們的實驗代碼如下：
NSNumber *bigNumber = @(0xEFFFFFFFFFFFFFFF);
NSLog(@"bigNumber pointer is %p", bigNumber);
運行之后啊胶，結果如下，驗證了我們的猜測垛贤，bigNumber的地址更像是一個普通的指針地址焰坪，和它本身的值看不出任何關系：
bigNumber pointer is 0x10921ecc0
可見，當 8 字節(jié)可以承載用于表示的數值時聘惦，系統就會以Tagged Pointer的方式生成指針某饰，如果 8 字節(jié)承載不了時，則又用以前的方式來生成普通的指針善绎。關于以上關于Tag Pointer的存儲細節(jié)黔漂，我們也可以在 這里 找到相應的討論，但是其中關于Tagged Pointer的實現細節(jié)與我們的實驗并不相符禀酱，筆者認為可能是蘋果更改了具體的實現細節(jié)炬守，并且這并不影響Tagged Pointer我們討論Tagged Pointer本身的優(yōu)點。
特點
我們也可以在 WWDC2013 的《Session 404 Advanced in Objective-C》視頻中剂跟，看到蘋果對于Tagged Pointer特點的介紹：
-
Tagged Pointer專門用來存儲小的對象减途，例如NSNumber和NSDate -
Tagged Pointer指針的值不再是地址了，而是真正的值曹洽。所以鳍置，實際上它不再是一個對象了，它只是一個披著對象皮的普通變量而已送淆。所以税产，它的內存并不存儲在堆中，也不需要 malloc 和 free偷崩。 - 在內存讀取上有著 3 倍的效率辟拷，創(chuàng)建時比以前快 106 倍。
由此可見环凿，蘋果引入Tagged Pointer梧兼，不但減少了 64 位機器下程序的內存占用放吩，還提高了運行效率智听。完美地解決了小內存對象在存儲和訪問效率上的問題。
isa 指針
Tagged Pointer的引入也帶來了問題，即Tagged Pointer因為并不是真正的對象到推，而是一個偽對象考赛，所以你如果完全把它當成對象來使，可能會讓它露馬腳莉测。比如我在 《Objective-C 對象模型及應用》 一文中就寫道颜骤，所有對象都有 isa 指針，而Tagged Pointer其實是沒有的捣卤，因為它不是真正的對象忍抽。
因為不是真正的對象，所以如果你直接訪問Tagged Pointer的isa成員的話董朝，在編譯時將會有如下警告：
對于上面的寫法鸠项，應該換成相應的方法調用，如 isKindOfClass 和 object_getClass子姜。只要避免在代碼中直接訪問對象的 isa 變量祟绊，即可避免這個問題。
總結
蘋果將Tagged Pointer引入哥捕，給 64 位系統帶來了內存的節(jié)省和運行效率的提高牧抽。Tagged Pointer通過在其最后一個 bit 位設置一個特殊標記，用于將數據直接保存在指針本身中遥赚。因為Tagged Pointer并不是真正的對象扬舒，我們在使用時需要注意不要直接訪問其 isa 變量。
