iOS标记指针（Tagged Pointer）技术 - 引用文章

在2013年9月，苹果推出了iPhone5s，配备了首个采用64位架构的A7双核处理器，为了节省内存和提高执行效率，苹果提出了标记指针（Tagged Pointer）
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。

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。

所以一个普通的iOS程序，如果没有Tagged Pointer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。

效率上的问题，为了存储和访问一个NSNumber对象，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。

• Tagged Pointer

为了改进上面提到的内存占用和效率问题，苹果提出了Tagged Pointer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。

• NSNumber的优化
  Tagged Pointer一个比较典型的应用就是NSNumber，在64位环境下，对于一般的数字，NSNumber不用再分配内存了。我们看看NSNumber是如何运用Tagged Pointer的：

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位模拟器中运行后，我得到了如下结果：

number1 pointer is 0xb000000000000012
number2 pointer is 0xb000000000000022
number3 pointer is 0xb000000000000032

可以看出number1、number2和number3的值前4位都是0xb，后4位都是0x2（指针的Tag），中间就是实际的取值，因此，这些NSNumber已经不需要再分配内存（指堆中内存）了，直接可以把实际的值保存到指针中，而无需再去访问堆中的数据。这无疑提高的内存访问速度和整体运算速度。也就是说Tagged Pointer本身就可以表示一个NSNumber了。

那么如果一个数超过了Tagged Pointer所能表示的范围，系统会怎么处理？看看这段代码：

NSNumber*numberBig=@(0x2233567890ABCDEF);
NSLog(@"numberBig pointer is %p", numberBig);
在64位模拟器中运行后，我得到了如下结果：
代码 objc:
numberBig pointer is 0x1394026a0

numberBig指针最后4位都是0，应该是分配在堆中的对象。因此，如果NSNumber超出了Tagged Pointer所能表示的范围，系统会自动采用分配成对象，可以根据指针的最后4位是否为0来区分。

isa指针优化

查看NSObject类的头文件，你会发现这段定义：

@interface NSObject: 
 { 
  Class isa;
 }

所有类都继承自NSObject，因此每个对象都有一个isa指针指向它所属的类。在《ARM64 and You》文章中指出：在32位环境下，对象的引用计数都保存在一个外部的表中，而对引用计数的增减操作都要先锁定这个表，操作完成后才解锁。这个效率是非常慢的。而在64位环境下，isa也是64位，实际作为指针部分只用到的其中33位，剩余的部分会运用到Tagged Pointer的概念，其中19位将保存对象的引用计数，这样对引用计数的操作只需要原子的修改这个指针即可，如果引用计数超出19位，才会将引用计数保存到外部表，而这种情况往往是很少的，因此效率将会大大提高。

在WWDC2013的《Session 404 Advanced in Objective-C》视频中，看到苹果对于Tagged Pointer特点的介绍：

1.Tagged Pointer专门用来存储小的对象，例如NSNumber和NSDate
2.Tagged Pointer指针的值不再是地址了，而是真正的值。
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。
它的内存并不存储在堆中，也不需要malloc和free。
3.在内存读取上有着3倍的效率，创建时比以前快106倍。

苹果引入Tagged Pointer，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。

Tagged Pointer的引入也带来了问题，即Tagged Pointer
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。所有对象都有 isa指针，而Tagged Pointer其实是没有的，因为它不是真正的对象。 因为不是真正的对象，所以如果你直接访问Tagged Pointer的isa成员的话，在编译时将会有警告。

总之：

苹果将Tagged Pointer引入，给64位系统带来了内存的节省和运行效率的提高。Tagged Pointer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。Tagged Pointer并不是真正的对象，使用时需要注意不要直接访问其isa变量。

引用是为了加强记忆和方便回顾，原文链接