深入理解Tagged Pointer

在2023年9月，蘋果推出了iphone5s，與此同時，iphone5s配備了首個採用64位架構的a7雙核處理器，為了節省記憶體和提高執行效率，蘋果提出了tagged pointer的概念。對於64位程式，引入tagged pointer後，相關邏輯能減少一半的記憶體占用，以及3倍的訪問速度提公升，100倍的建立、銷毀速度提公升。本文從tagged pointer試**決的問題入手，帶領讀者理解tagged pointer的實現細節和優勢，最後指出了使用時的注意事項。

我們先看看原有的物件為什麼會浪費記憶體。假設我們要儲存乙個nsnumber物件，其值是乙個整數。正常情況下，如果這個整數只是乙個nsinteger的普通變數，那麼它所占用的記憶體是與cpu的位數有關，在32位cpu下佔4個位元組，在64位cpu下是佔8個位元組的。而指標型別的大小通常也是與cpu位數相關，乙個指標所占用的內存在32位cpu下為4個位元組，在64位cpu下也是8個位元組。

所以乙個普通的ios程式，如果沒有tagged pointer物件，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一類的物件所占用的記憶體會翻倍。如下圖所示：

我們再來看看效率上的問題，為了儲存和訪問乙個nsnumber物件，我們需要在堆上為其分配記憶體，另外還要維護它的引用計數，管理它的生命期。這些都給程式增加了額外的邏輯，造成執行效率上的損失。

為了改進上面提到的記憶體占用和效率問題，蘋果提出了tagged pointer物件。由於nsnumber、nsdate一類的變數本身的值需要占用的記憶體大小常常不需要8個位元組，拿整數來說，4個位元組所能表示的有符號整數就可以達到20多億（注：2^31=2147483648，另外1位作為符號位)，對於絕大多數情況都是可以處理的。

所以我們可以將乙個物件的指標拆成兩部分，一部分直接儲存資料，另一部分作為特殊標記，表示這是乙個特別的指標，不指向任何乙個位址。所以，引入了tagged pointer物件之後，64位cpu下nsnumber的記憶體圖變成了以下這樣：

對此，我們也可以用 xcode做實驗來驗證。我們的實驗**如下：

int main(int argc, char * argv)
}

在該**中，我們將幾個number型別的指標的值直接輸出。需要注意的是，我們需要將模擬器切換成 64位的cpu來測試，如下圖所示：

執行之後，我們得到的結果如下，可以看到，除去最後的數字最末尾的2以及最開頭的0xb，其它數字剛好表示了相應nsnumber的值。

number1 pointer is 0xb000000000000012 number2 pointer is 0xb000000000000022 number3 pointer is 0xb000000000000032 numberffff pointer is 0xb0000000000ffff2

可見，蘋果確實是將值直接儲存到了指標本身裡面。我們還可以猜測，數字最末尾的2以及最開頭的0xb是否就是蘋果對於tagged pointer的特殊標記呢？我們嘗試放乙個8位元組的長的整數到nsnumber例項中，對於這樣的例項，由於tagged pointer無法將其按上面的壓縮方式來儲存，那麼應該就會以普通物件的方式來儲存，我們的實驗**如下：

nsnumber *bignumber = @(0xefffffffffffffff);
nslog(@"bignumber pointer is %p", bignumber);

bignumber pointer is 0x10921ecc0

可見，當8位元組可以承載用於表示的數值時，系統就會以tagged pointer的方式生成指標，如果8位元組承載不了時，則又用以前的方式來生成普通的指標。關於以上關於tag pointer的儲存細節，我們也可以在這裡找到相應的討論，但是其中關於tagged pointer的實現細節與我們的實驗並不相符，筆者認為可能是蘋果更改了具體的實現細節，並且這並不影響tagged pointer我們討論tagged pointer本身的優點。

tagged pointer專門用來儲存小的物件，例如nsnumber和nsdate

tagged pointer指標的值不再是位址了，而是真正的值。所以，實際上它不再是乙個物件了，它只是乙個披著物件皮的普通變數而已。所以，它的記憶體並不儲存在堆中，也不需要malloc和free。

在記憶體讀取上有著3倍的效率，建立時比以前快106倍。

由此可見，蘋果引入tagged pointer，不但減少了64位機器下程式的記憶體占用，還提高了執行效率。完美地解決了小記憶體物件在儲存和訪問效率上的問題。

tagged pointer的引入也帶來了問題，即tagged pointer因為並不是真正的物件，而是乙個偽物件，所以你如果完全把它當成物件來使，可能會讓它露馬腳。比如我在《objective-c物件模型及應用》一文中就寫道，所有物件都有 isa 指標，而tagged pointer其實是沒有的，因為它不是真正的物件。因為不是真正的物件，所以如果你直接訪問tagged pointer的isa成員的話，在編譯時將會有如下警告：

對於上面的寫法，應該換成相應的方法呼叫，如 iskindofclass 和 object_getclass。只要避免在**中直接訪問物件的isa變數，即可避免這個問題。

總結蘋果將tagged pointer引入，給64位系統帶來了記憶體的節省和執行效率的提高。tagged pointer通過在其最後乙個bit位設定乙個特殊標記，用於將資料直接儲存在指標本身中。因為tagged pointer並不是真正的物件，我們在使用時需要注意不要直接訪問其isa變數。

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