iOS_Tagged Pointer是什么，结构

文章目录

• iOS Tagged Pointer
  • 问题
  • 原理
  • 结构
    • NSNumber
    • NSString
  • 特点
  • 测试
    • 测试准备：
    • NSNumber
    • NSString
  • 注意事项
    • isa指针
  • 面试题
    • 题1：执行以下两段代码，有什么区别？

iOS Tagged Pointer

问题

如果要存一个NSNumber对象，其值是一个整数。

32位CPU下：指针4位 -> 值4位 （一共需要8位）

64位CPU下：指针8位 -> 值8位 （一共需要16位）（未使用Tagged Pointer情况下）

这样的数据从 32 位机器迁移到 64 位机器中后，占用的内存会翻倍。为了节省内存和提高执行效率，苹果提出了Tagged Pointer指针（标记指针）。

原理

将指针（8字节）拆成两部分：一部分直接保存数据，另一部分作为标记（这是一个特别的指针，不指向任何一个地址）

（拿一个整数来说，4个字节所能表示的有符号整数就可达20 多亿，注：2^31=2147483648，另外 1 位作为符号位）

结构

NSNumber

NSString

• Tagged Pointer：1表示Tagged Pointer、0表示非Tagged Pointer
• 类标志位

  // objc-internal.h
  enum {
    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, 
    OBJC_TAG_RESERVED_7        = 7, 
  	......
  };

特点

• 专门用来存储小的对象，如：NSString、 NSNumber、NSData
• 指针值不再是地址，而是真正的值。（所以，实际上它不再是一个对象了，而是个普通变量而已。因此，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3倍的效率，创建时比以前快106倍

当8个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。

测试

测试准备：

在现在的版本中，为了保证数据安全，苹果对 Tagged Pointer 做了数据混淆，开发者通过打印指针无法判断它是不是一个Tagged Pointer，更无法读取Tagged Pointer的存储数据。

所以在分析Tagged Pointer之前，我们需要先关闭Tagged Pointer的数据混淆，以方便我们调试程序。通过设置环境变量OBJC_DISABLE_TAG_OBFUSCATION为YES来关闭。

（设置步骤：Edit Scheme -> Run -> Arguments -> Environment Variables -> 添加key：OBJC_DISABLE_TAG_OBFUSCATION，value：YES）

NSNumber

NSNumber *num0 = @1;
NSNumber *num1 = @(0xffffffffffffff); // 14个f
// 一共15位(1位4个bit)，最高位Tag+类标志，最低位数据类型，所以当大于13个f时就表示不了，需要创建对象了)
NSLog(@"%p", num0); // 0xb000000000000012 （Tagged Pointer 标记指针）
NSLog(@"%p", num1); // 0x6000006965a0 （正常指针）

看num0的指针：0xb000000000000012（0x表示十六进制）

• 最高位 （该例是b，转换为二进制是1011）

最高bit位：Tagged Pointer（该例是1，表示是Tagged Pointer）

倒数1-3个bit位：类标志位 （该例是：011转为十进制是3，对应OBJC_TAG_NSNumber）

• 最低位：数据类型（该例是2，转换为二进制是0010，也就是2，对应int）
• 剩下中间的位：存储数据（该例是00000000000001，对应num0的值1）

NSString

NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@"0"];
NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghij"]; // 存在堆区 (超过9个字符)
NSLog(@"%p %@", str1, [str1 class]);
NSLog(@"%p %@", str2, [str2 class]);
// 0xa000000000000301 NSTaggedPointerString (值直接存储在指针上)
// 0x600003d3c620 __NSCFString (存在堆区)

看str1的指针：0xa000000000000301（0x表示十六进制）

• 最高位 （该例是a，转换为二进制是1010）

最高bit位：Tagged Pointer（该例是1，表示是Tagged Pointer）

倒数1-3个bit位：类标志位 （该例是010，转换十进制是2，对应OBJC_TAG_NSString）

• 最低位：字符长度（该例是1，转换为二进制是0001，十进制也是1，表示字符串长度1）
• 剩下中间的位：存储数据（该例是00000000000030，转为十进制是48，对应ASCII码表中的0）

注意事项

isa指针

因为Tagged Pointer实现的对象，并不是真正的对象，它没有isa指针，如果直接访问其isa成员，就会报错

面试题

题1：执行以下两段代码，有什么区别？

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
  dispatch_async(queue, ^{
    self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghi"]; // NSTaggedPointerString (运行正常)
  });
}

dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
  dispatch_async(queue, ^{
    self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghij"]; // __NSCFString (Crash)
  });
}

当字符串设置为@"abcdefghij"时会crash，如下：

原因：赋值时会调用setter方法

- (void)setName:(NSString *)name {
  if (_name != name) {
    [_name release]; // 异步并发执行setter方法，release就有可能连续执行，造成过度释放
    _name = [name copy];
  }
}

因为多个赋值是异步的，而且放在了并行队列里。就会创建多个线程同步处理多个赋值操作。release就有可能连续执行，造成过度释放。

而当字符少于10个时，系统采用了Tagged Pointer机制将数据直接存储在指针上。 objc_release 内部会判断，如果是Tagged Pointer则不会进行release，直接赋值。所以不会导致过度释放的BAD_ACCESS错误。

__attribute__((aligned(16), flatten, noinline))
void objc_release(id obj) {
   if (!obj) return;
   if (obj->isTaggedPointer()) return; // 如果是TaggedPointer则不会进行release
   return obj->release();
}

解决方案：

• 方法1：使用串行队列
• 方法2：使用atomic
• 方法3：赋值方法前后：加锁、解锁

// 加锁
self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghij"];
// 解锁

参考：

深入理解Tagged Pointer

iOS - 老生常谈内存管理（五）：Tagged Pointer（Mac OS + iOS 下 NSNumber + NSString 的Tagged Pointer 结构图）