iOS標記指針（Tagged Pointer）技術

在2013年9月，蘋果推出了iPhone5s，配備了首個採用64位架構的A7雙核處理器，爲了節省內存和提升執行效率，蘋果提出了標記指針（Tagged Pointer） 的概念。對於64位程序，引入Tagged Pointer後，相關邏輯能減小一半的內存佔用，以及3倍的訪問速度提高，100倍的建立、銷燬速度提高。

原有的對象爲何會浪費內存？

假設咱們要存儲一個NSNumber對象，其值是一個整數。正常狀況下，若是這個整數只是一個NSInteger的普通變量，那麼它所佔用的內存是與CPU的位數有關，在32位CPU下佔4個字節，在64位CPU下是佔8個字節的。而指針類型的大小一般也是與CPU位數相關，一個指針所佔用的內存在32位CPU下爲4個字節，在64位CPU下也是8個字節。

因此一個普通的iOS程序，若是沒有Tagged Pointer對象，從32位機器遷移到64位機器中後，雖然邏輯沒有任何變化，但這種NSNumber、NSDate一類的對象所佔用的內存會翻倍。

效率上的問題，爲了存儲和訪問一個NSNumber對象，須要在堆上爲其分配內存，另外還要維護它的引用計數，管理它的生命期。這些都給程序增長了額外的邏輯，形成運行效率上的損失。

Tagged Pointer

爲了改進上面提到的內存佔用和效率問題，蘋果提出了Tagged Pointer對象。因爲NSNumber、NSDate一類的變量自己的值須要佔用的內存大小經常不須要8個字節，拿整數來講，4個字節所能表示的有符號整數就能夠達到20多億（注：2^31=2147483648，另外1位做爲符號位)，對於絕大多數狀況都是能夠處理的。

NSNumber的優化

Tagged Pointer一個比較典型的應用就是NSNumber，在64位環境下，對於通常的數字，NSNumber不用再分配內存了。咱們看看NSNumber是如何運用Tagged Pointer的：

代碼 objc:

NSNumber *number1=@1;
NSNumber *number2=@2;
NSNumber *number3=@3;

NSLog(@"number1 pointer is %p", number1);
NSLog(@"number2 pointer is %p", number2);
NSLog(@"number3 pointer is %p", number3);

在64位模擬器中運行後，我獲得了以下結果：

number1 pointer is 0xb000000000000012
number2 pointer is 0xb000000000000022
number3 pointer is 0xb000000000000032
複製代碼

能夠看出number一、number2和number3的值前4位都是0xb，後4位都是0x2（指針的Tag），中間就是實際的取值，所以，這些NSNumber已經不須要再分配內存（指堆中內存）了，直接能夠把實際的值保存到指針中，而無需再去訪問堆中的數據。這無疑提升的內存訪問速度和總體運算速度。也就是說Tagged Pointer自己就能夠表示一個NSNumber了。

那麼若是一個數超過了Tagged Pointer所能表示的範圍，系統會怎麼處理？看看這段代碼：

代碼 objc:
NSNumber*numberBig=@(0x2233567890ABCDEF);
NSLog(@"numberBig pointer is %p", numberBig);

在64位模擬器中運行後，我獲得了以下結果：
代碼 objc:
numberBig pointer is 0x1394026a0
複製代碼

numberBig指針最後4位都是0，應該是分配在堆中的對象。所以，若是NSNumber超出了Tagged Pointer所能表示的範圍，系統會自動採用分配成對象，能夠根據指針的最後4位是否爲0來區分。

isa指針優化

查看NSObject類的頭文件，你會發現這段定義：

@interface NSObject: <NSObject>
 { 
  Class isa;
 }
複製代碼

全部類都繼承自NSObject，所以每一個對象都有一個isa指針指向它所屬的類。在《ARM64 and You》文章中指出：在32位環境下，對象的引用計數都保存在一個外部的表中，而對引用計數的增減操做都要先鎖定這個表，操做完成後才解鎖。這個效率是很是慢的。而在64位環境下，isa也是64位，實際做爲指針部分只用到的其中33位，剩餘的部分會運用到Tagged Pointer的概念，其中19位將保存對象的引用計數，這樣對引用計數的操做只須要原子的修改這個指針便可，若是引用計數超出19位，纔會將引用計數保存到外部表，而這種狀況每每是不多的，所以效率將會大大提升。

在WWDC2013的《Session 404 Advanced in Objective-C》視頻中，看到蘋果對於Tagged Pointer特色的介紹：

1.Tagged Pointer專門用來存儲小的對象，例如NSNumber和NSDate
 2.Tagged Pointer指針的值再也不是地址了，而是真正的值。
     實際上它再也不是一個對象了，它只是一個披着對象皮的普通變量而已。
     它的內存並不存儲在堆中，也不須要malloc和free。
 3.在內存讀取上有着3倍的效率，建立時比之前快106倍。
複製代碼

蘋果引入Tagged Pointer，不但減小了64位機器下程序的內存佔用，還提升了運行效率。完美地解決了小內存對象在存儲和訪問效率上的問題。

Tagged Pointer的引入也帶來了問題，即Tagged Pointer 由於並非真正的對象，而是一個僞對象，因此你若是徹底把它當成對象來使，可能會讓它露馬腳。全部對象都有 isa指針，而Tagged Pointer實際上是沒有的，由於它不是真正的對象。 由於不是真正的對象，因此若是你直接訪問Tagged Pointer的isa成員的話，在編譯時將會有警告。

總之：

蘋果將Tagged Pointer引入，給64位系統帶來了內存的節省和運行效率的提升。Tagged Pointer經過在其最後一個bit位設置一個特殊標記，用於將數據直接保存在指針自己中。Tagged Pointer並非真正的對象，使用時須要注意不要直接訪問其isa變量。

參考文章：  Objective-C對象模型及應用 ARM64 and You