【iOS】Tagged Pointer

Tagged Pointer

内存布局

• 代码段：编译之后的代码
• 数据段
  • 字符串常量：比如NSString *str = @“123”
  • 已初始化数据：已初始化的全局变量、静态变量等
  • 未初始化数据：未初始化的全局变量、静态变量等
• 堆：通过alloc、malloc、calloc等动态分配的空间，分配的内存空间地址越来越大-
• 栈：函数调用开销，比如局部变量。分配的内存空间地址越来越小

Tagged Pointer

• 从64bit开始，iOS引入了Tagged Pointer技术，用于优化NSNumber、NSDate、NSString等小对象的存储
• 在没有使用Tagged Pointer之前， NSNumber等对象需要动态分配内存、维护引用计数等，NSNumber指针存储的是堆中NSNumber对象的地址值
• 使用Tagged Pointer之后，NSNumber指针里面存储的数据变成了：Tag + Data，也就是将数据直接存储在了指针中
• 当指针不够存储数据时，才会使用动态分配内存的方式来存储数据
• objc_msgSend能识别Tagged Pointer，比如NSNumber的intValue方法，直接从指针提取数据，节省了以前的调用开销

在小对象的时候， 使用Tagged Pointer，NSNumber指针里面存储的数据变成了：Tag + Data，也就是将数据直接存储在了指针中，不在需要存取来获取值了。

我们分别打印abcdefghijk和abc字符串的类型。

NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@“abc”];
NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@“abcdefghijk”];
NSLog(@“\n[str1 class]=%@\n[str2 class]=%@”,[str1 class],[str2 class]);

打印结果：

根据打印发现str1是NSTaggedPointerString类型，是不通过set方法找对象的。

我们也可以在源码中找到相关实现，

• 1. 在NSObject.mm中查找retain方法的实现

- (id)retain {
	return ((id)self)->rootRetain();
}

• 2. 点击进入rootRetain方法，我们可以在里面找到:
     if (isTaggedPointer())
     return (id)this;
     也就是说如果是TaggedPointer类型，直接返回，不需要根据指针查找。

判断是否是TaggedPointer

我们点击isTaggedPointer方法

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

• define _OBJC_TAG_MASK 1UL

#if TARGET_OS_OSX && __x86_64__
#   define OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS 0
#else
#   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

在判断是否是TaggedPointer的时候，在iOS平台和MAC平台还是不太一样的

1、iOS平台，需要把1向左移动63位，也就是最高有效位是1（第64bit）
2、在Mac平台，最低有效位是1

面试题

1. 什么是Tagged Pointer？
   答：Tagged Pointer是一种优化技术，用于存储小对象（如NSNumber、NSDate和NSString）的值。与普通对象不同，Tagged Pointer直接将数据存储在指针本身，而不是存储在堆上的内存块。这种技术利用了64位指针的高位来存储类型信息和实际数据，从而避免了分配和释放内存的开销，提高了性能和效率。

2. Tagged Pointer的工作原理是什么？
   答：
   Tagged Pointer的工作原理基于将指针的部分位 用作标记（tag）和数据存储。具体实现如下：

   1. 标记位（Tag Bits）：在64位指针的高位部分，用若干位来存储标记信息。这些标记位用来区分不同类型的Tagged Pointer（如NSNumber、NSDate等）。
   2. 数据位（Data Bits）：在剩余的位中直接存储实际数据。例如，对于NSNumber，可以直接存储整数值或浮点数值。
   3. 类型检测：在需要时，通过检测指针的高位标记，判断该指针是否是Tagged Pointer以及它的类型。

3. 如果检测一个指针是否是Tagged Pointer？
   答：
   检测一个指针是否是Tagged Pointer，可以通过检查指针的高位标记。具体实现方式因不同版本的Objective-C运行时而异，但常见的方式是检查指针是否设置了某些特定位。例如，在64位系统上，如果指针的最高位为1，则该指针可能是Tagged Pointer。代码示例如下：

BOOL isTaggedPointer(id pointer) {
return ((uintptr_t)pointer & _OBJC_TAG_MASK) != 0;
}
其中，_OBJC_TAG_MASK是用于检测Tagged Pointer的掩码。

4. 给出一个Tagged Pointer NSNumber的示例，并解释其内部结构

假设我们有一个Tagged Pointer类型的NSNumber对象，其内部结构可能如下：

• 标记位：在指针的高位，用于标记该指针是Tagged Pointer以及它的类型（例如，NSNumber）。
• 数据位：在指针的低位，存储实际的数值数据。

例如，假设一个64位指针的结构如下：

[63 ... 60] [59 ... 4] [3 ... 0]
  标记位       数据位    类型标记

假设标记位为0b1110（表示NSNumber），类型标记为0b0001（表示整数类型），数据位为0b0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001101（表示整数13）。则这个Tagged Pointer的值表示一个NSNumber对象，其数值为13。

怎么理解这个？
这个比特位分布,和之前介绍的 isa_t 结构有些不同。这个新的比特位分布是 Objective-C 运行时系统中另一种优化技术 - “Packed Tagged Pointer”。

下面我来解释一下这个结构的每个部分:

[63 … 60] 标记位 (4 bits):
这 4 个比特位用于标识这是一个 Packed Tagged Pointer,而不是普通的 isa 指针。
它们会被设置为一个特殊的标记值,用于在运行时快速识别这种指针。
[59 … 4] 数据位 (56 bits):
这 56 个比特位用于存储对象的数值信息和类信息。
具体的编码方式取决于对象的类型。
[3 … 0] 类型标记 (4 bits):
这 4 个比特位用于标识对象的具体类型,比如整数、浮点数、字符串等。

运行时系统会根据这个类型标记来解析存储在数据位中的实际值。
与之前介绍的 Tagged Pointer 相比,这种 Packed Tagged Pointer 的优势是能够存储更多的数据信息,提高了存储密度。