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<title>深入理解Tagged Pointer | 唐巧的博客</title>
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<a href="/2014/05/30/understand-tagged-pointer/" title="深入理解Tagged Pointer" itemprop="url">深入理解Tagged Pointer</a>
</h1>
<p class="article-time">
<time datetime="2014-05-30T06:15:29.000Z" itemprop="datePublished"> 发表于 2014-05-30 06:15</time>
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<div class="article-content">
<div id="toc" class="toc-article">
<strong class="toc-title">文章目录</strong>
<ol class="toc"><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#版权说明"><span class="toc-number">1.</span> <span class="toc-text">版权说明</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#前言"><span class="toc-number">2.</span> <span class="toc-text">前言</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#问题"><span class="toc-number">3.</span> <span class="toc-text">问题</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#Tagged-Pointer"><span class="toc-number">4.</span> <span class="toc-text">Tagged Pointer</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#特点"><span class="toc-number">5.</span> <span class="toc-text">特点</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#isa-指针"><span class="toc-number">6.</span> <span class="toc-text">isa 指针</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#总结"><span class="toc-number">7.</span> <span class="toc-text">总结</span></a></li></ol>
</div>
<h2 id="版权说明"><a href="#版权说明" class="headerlink" title="版权说明"></a>版权说明</h2><p>本文为 InfoQ 中文站特供稿件，首发地址为：<a href="http://www.infoq.com/cn/articles/deep-understanding-of-tagged-pointer" target="_blank" rel="noopener">文章链接</a>。如需转载，请与 InfoQ 中文站联系。</p>
<p>【摘要】：为了节省内存和提高执行效率，苹果提出了<code>Tagged Pointer</code>的概念。对于 64 位程序，引入 Tagged Pointer 后，相关逻辑能减少一半的内存占用，以及 3 倍的访问速度提升，100 倍的创建、销毁速度提升。本文从<code>Tagged Pointer</code>试图解决的问题入手，带领读者理解<code>Tagged Pointer</code>的实现细节和优势，最后指出了使用时的注意事项。</p>
<h2 id="前言"><a href="#前言" class="headerlink" title="前言"></a>前言</h2><p>在 2013 年 9 月，苹果推出了 <a href="http://en.wikipedia.org/wiki/IPhone_5S" target="_blank" rel="noopener">iPhone5s</a>，与此同时，iPhone5s 配备了首个采用 64 位架构的 <a href="http://en.wikipedia.org/wiki/Apple_A7" target="_blank" rel="noopener">A7 双核处理器</a>，为了节省内存和提高执行效率，苹果提出了<code>Tagged Pointer</code>的概念。对于 64 位程序，引入 Tagged Pointer 后，相关逻辑能减少一半的内存占用，以及 3 倍的访问速度提升，100 倍的创建、销毁速度提升。本文从<code>Tagged Pointer</code>试图解决的问题入手，带领读者理解<code>Tagged Pointer</code>的实现细节和优势，最后指出了使用时的注意事项。</p>
<h2 id="问题"><a href="#问题" class="headerlink" title="问题"></a>问题</h2><p>我们先看看原有的对象为什么会浪费内存。假设我们要存储一个 NSNumber 对象，其值是一个整数。正常情况下，如果这个整数只是一个 NSInteger 的普通变量，那么它所占用的内存是与 CPU 的位数有关，在 32 位 CPU 下占 4 个字节，在 64 位 CPU 下是占 8 个字节的。而指针类型的大小通常也是与 CPU 位数相关，一个指针所占用的内存在 32 位 CPU 下为 4 个字节，在 64 位 CPU 下也是 8 个字节。</p>
<p>所以一个普通的 iOS 程序，如果没有<code>Tagged Pointer</code>对象，从 32 位机器迁移到 64 位机器中后，虽然逻辑没有任何变化，但这种 NSNumber、NSDate 一类的对象所占用的内存会翻倍。如下图所示：</p>
<img src="/images/tagged_pointer_before.jpg" class="">
<p>我们再来看看效率上的问题，为了存储和访问一个 NSNumber 对象，我们需要在堆上为其分配内存，另外还要维护它的引用计数，管理它的生命期。这些都给程序增加了额外的逻辑，造成运行效率上的损失。</p>
<h2 id="Tagged-Pointer"><a href="#Tagged-Pointer" class="headerlink" title="Tagged Pointer"></a>Tagged Pointer</h2><p>为了改进上面提到的内存占用和效率问题，苹果提出了<code>Tagged Pointer</code>对象。由于 NSNumber、NSDate 一类的变量本身的值需要占用的内存大小常常不需要 8 个字节，拿整数来说，4 个字节所能表示的有符号整数就可以达到 20 多亿（注：2^31=2147483648，另外 1 位作为符号位)，对于绝大多数情况都是可以处理的。</p>
<p>所以我们可以将一个对象的指针拆成两部分，一部分直接保存数据，另一部分作为特殊标记，表示这是一个特别的指针，不指向任何一个地址。所以，引入了<code>Tagged Pointer</code>对象之后，64 位 CPU 下 NSNumber 的内存图变成了以下这样：</p>
<img src="/images/tagged_pointer_after.jpg" class="">
<p>对此，我们也可以用 Xcode 做实验来验证。我们的实验代码如下：</p>
<figure class="highlight objc"><table><tr><td class="code"><pre><span class="line"></span><br><span class="line"><span class="keyword">int</span> main(<span class="keyword">int</span> argc, <span class="keyword">char</span> * argv[])</span><br><span class="line">{</span><br><span class="line"> <span class="keyword">@autoreleasepool</span> {</span><br><span class="line"> <span class="built_in">NSNumber</span> *number1 = @<span class="number">1</span>;</span><br><span class="line"> <span class="built_in">NSNumber</span> *number2 = @<span class="number">2</span>;</span><br><span class="line"> <span class="built_in">NSNumber</span> *number3 = @<span class="number">3</span>;</span><br><span class="line"> <span class="built_in">NSNumber</span> *numberFFFF = @(<span class="number">0xFFFF</span>);</span><br><span class="line"> </span><br><span class="line"> <span class="built_in">NSLog</span>(<span class="string">@"number1 pointer is %p"</span>, number1);</span><br><span class="line"> <span class="built_in">NSLog</span>(<span class="string">@"number2 pointer is %p"</span>, number2);</span><br><span class="line"> <span class="built_in">NSLog</span>(<span class="string">@"number3 pointer is %p"</span>, number3);</span><br><span class="line"> <span class="built_in">NSLog</span>(<span class="string">@"numberffff pointer is %p"</span>, numberFFFF);</span><br><span class="line"> <span class="keyword">return</span> <span class="built_in">UIApplicationMain</span>(argc, argv, <span class="literal">nil</span>, <span class="built_in">NSStringFromClass</span>([AppDelegate <span class="keyword">class</span>]));</span><br><span class="line"> }</span><br><span class="line">}</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>在该代码中，我们将几个 Number 类型的指针的值直接输出。需要注意的是，我们需要将模拟器切换成 64 位的 CPU 来测试，如下图所示：</p>
<img src="/images/tagged_pointer_switch_64bit_simulator.jpg" class="">
<p>运行之后，我们得到的结果如下，可以看到，除去最后的数字最末尾的 2 以及最开头的 0xb，其它数字刚好表示了相应 NSNumber 的值。</p>
<figure class="highlight plain"><table><tr><td class="code"><pre><span class="line">number1 pointer is 0xb000000000000012</span><br><span class="line">number2 pointer is 0xb000000000000022</span><br><span class="line">number3 pointer is 0xb000000000000032</span><br><span class="line">numberFFFF pointer is 0xb0000000000ffff2</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>可见，苹果确实是将值直接存储到了指针本身里面。我们还可以猜测，数字最末尾的 2 以及最开头的 0xb 是否就是苹果对于<code>Tagged Pointer</code>的特殊标记呢？我们尝试放一个 8 字节的长的整数到<code>NSNumber</code>实例中，对于这样的实例，由于<code>Tagged Pointer</code>无法将其按上面的压缩方式来保存，那么应该就会以普通对象的方式来保存，我们的实验代码如下：</p>
<figure class="highlight objc"><table><tr><td class="code"><pre><span class="line"><span class="built_in">NSNumber</span> *bigNumber = @(<span class="number">0xEFFFFFFFFFFFFFFF</span>);</span><br><span class="line"><span class="built_in">NSLog</span>(<span class="string">@"bigNumber pointer is %p"</span>, bigNumber);</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>运行之后，结果如下，验证了我们的猜测，<code>bigNumber</code>的地址更像是一个普通的指针地址，和它本身的值看不出任何关系：</p>
<figure class="highlight plain"><table><tr><td class="code"><pre><span class="line">bigNumber pointer is 0x10921ecc0</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>可见，当 8 字节可以承载用于表示的数值时，系统就会以<code>Tagged Pointer</code>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。关于以上关于<code>Tag Pointer</code>的存储细节，我们也可以在 <a href="https://www.mikeash.com/pyblog/friday-qa-2012-07-27-lets-build-tagged-pointers.html" target="_blank" rel="noopener">这里</a> 找到相应的讨论，但是其中关于<code>Tagged Pointer</code>的实现细节与我们的实验并不相符，笔者认为可能是苹果更改了具体的实现细节，并且这并不影响<code>Tagged Pointer</code>我们讨论<code>Tagged Pointer</code>本身的优点。</p>
<h2 id="特点"><a href="#特点" class="headerlink" title="特点"></a>特点</h2><p>我们也可以在 WWDC2013 的《Session 404 Advanced in Objective-C》视频中，看到苹果对于<code>Tagged Pointer</code>特点的介绍：</p>
<ol>
<li><code>Tagged Pointer</code>专门用来存储小的对象，例如<code>NSNumber</code>和<code>NSDate</code></li>
<li><code>Tagged Pointer</code>指针的值不再是地址了，而是真正的值。所以，实际上它不再是一个对象了，它只是一个披着对象皮的普通变量而已。所以，它的内存并不存储在堆中，也不需要 malloc 和 free。</li>
<li>在内存读取上有着 3 倍的效率，创建时比以前快 106 倍。</li>
</ol>
<p>由此可见，苹果引入<code>Tagged Pointer</code>，不但减少了 64 位机器下程序的内存占用，还提高了运行效率。完美地解决了小内存对象在存储和访问效率上的问题。</p>
<h2 id="isa-指针"><a href="#isa-指针" class="headerlink" title="isa 指针"></a>isa 指针</h2><p><code>Tagged Pointer</code>的引入也带来了问题，即<code>Tagged Pointer</code>因为并不是真正的对象，而是一个伪对象，所以你如果完全把它当成对象来使，可能会让它露马脚。比如我在 <a href="/2013/10/15/objective-c-object-model/">《Objective-C 对象模型及应用》</a> 一文中就写道，所有对象都有 <code>isa</code> 指针，而<code>Tagged Pointer</code>其实是没有的，因为它不是真正的对象。<br>因为不是真正的对象，所以如果你直接访问<code>Tagged Pointer</code>的<code>isa</code>成员的话，在编译时将会有如下警告：</p>
<img src="/images/tagged_pointer_isa_forbidden.jpg" class="">
<p>对于上面的写法，应该换成相应的方法调用，如 <code>isKindOfClass</code> 和 <code>object_getClass</code>。只要避免在代码中直接访问对象的 isa 变量，即可避免这个问题。</p>
<h2 id="总结"><a href="#总结" class="headerlink" title="总结"></a>总结</h2><p>苹果将<code>Tagged Pointer</code>引入，给 64 位系统带来了内存的节省和运行效率的提高。<code>Tagged Pointer</code>通过在其最后一个 bit 位设置一个特殊标记，用于将数据直接保存在指针本身中。因为<code>Tagged Pointer</code>并不是真正的对象，我们在使用时需要注意不要直接访问其 isa 变量。</p>
</div>
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var myWidth = 0;
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});
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if (myWidth >= 1024) {
$('header nav').removeClass('shownav');
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m.removeClass('moveMain');
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}
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ae.wrap('<div class="video-container" />');
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c.click(function(){
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});
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ta.css('display', 'none');
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var myWidth = 0;
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if( typeof( window.innerWidth ) == 'number' ) {
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} else if( document.documentElement && document.documentElement.clientWidth) {
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