共用体和位域的运用

前言

深入理解OC中的对象一文中有提到isa指针。值得注意的是在arm64之前，isa指针指向的就是class或者meta-class的地址。但是arm64之后，需要通过位运算才能得出class或者meta-class的具体地址信息。

我们可以通过源码查看：

找到isa指针，其类型为isa_t，点进去看具体实现

isa_t
可以看到共用体union关键字，内部有个结构体实现宏，点进去看具体实现
图中红框部分就是class或meta-class的信息，使用了33位来存储相关信息。

这也是为什么，我们需要通过位运算之后才能得出具体的地址信息。因为中间只有33位存储的相关信息，其他位存储的是其他信息。

拓展

isa其他信息含义如下图：

这么做的好处之一就显而易见了，优化了内存。接下来我们可以通过一个场景来演示一下。

场景演示

定义一个类，定义一些BOOL类型的属性。

@interface CWObject : NSObject

@property (nonatomic, assign) BOOL tag1;
@property (nonatomic, assign) BOOL tag2;
@property (nonatomic, assign) BOOL tag3;
@property (nonatomic, assign) BOOL tag4;

@property (nonatomic, assign) BOOL tag5;
@property (nonatomic, assign) BOOL tag6;
@property (nonatomic, assign) BOOL tag7;
@property (nonatomic, assign) BOOL tag8;

@property (nonatomic, assign) BOOL tag9;
@property (nonatomic, assign) BOOL tag10;
@property (nonatomic, assign) BOOL tag11;
@property (nonatomic, assign) BOOL tag12;

@end

这里定义了12个BOOL类型的属性，我们可以看一下创建一个这样的对象，需要开辟多少内存空间

NSLog(@"%ld", class_getInstanceSize([CWObject class]));

控制台打印如下：24

思考：OC中BOOL类型占用一个字节，但是其实BOOL类型对于开发者和业务逻辑而言，要么YES，要么NO，只有2种状态。换个说法就是，要么是1，要么是0。所以我们用一位来表示就可以了，完全不用需要一个字节。
于是，我们可以仿Apple源码，删掉之前的定义属性的代码，修改一下上面的实现

@interface CWObject() {
    union {
        int bits;
        struct {
            char tag1 : 1;
            char tag2 : 1;
            char tag3 : 1;
            char tag4 : 1;

            char tag5 : 1;
            char tag6 : 1;
            char tag7 : 1;
            char tag8 : 1;

            char tag9  : 1;
            char tag10 : 1;
            char tag11 : 1;
            char tag12 : 1;
        };
    }_tag;
}
@end

上面的实现和下面的代码效果没有区别

@interface CWObject() {
    union {
        int bits;
    }_tag;
}
@end

共用体中，所有的成员共用一片内存空间。

struct定义了12个成员，每个占一位，一共是12位，而int bits占4个字节：4 * 8 = 32 位.

共用体的大小取决于最大成员的大小。所以这个union的大小取决于bits的大小。这样的话后面的struct之所以写出来起到的就是注释的作用，便于开发者阅读其含义。

这样定义的话，我们在来看一下，此时创建一个这样的对象需要开辟多大的内存空间

NSLog(@"%ld ", class_getInstanceSize([CWObject class]))

控制台打印：16

之前需要24，现在只需要16。这样写的确节约了不少内存空间。
那么如何访问和修改值呢？
首先我们要明确一下内存结构，结构图如下：
这里只演示前4个，后面的以此类推就好
先定义掩码

#define kTag1Mask     (1<<0)
#define kTag2Mask     (1<<1)
#define kTag3Mask     (1<<2)
#define kTag4Mask     (1<<3)

声明setter和getter方法

@interface CWObject : NSObject
- (void)setTag1:(BOOL)tag1;
- (BOOL)tag1;

- (void)setTag2:(BOOL)tag2;
- (BOOL)tag2;

- (void)setTag3:(BOOL)tag3;
- (BOOL)tag3;

- (void)setTag4:(BOOL)tag4;
- (BOOL)tag4;
@end

实现setter和getter方法

- (BOOL)tag1 {
    return !!(_tag.bits & kTag1Mask);
}

- (void)setTag1:(BOOL)tag1 {
    if (tag1) {
        _tag.bits |= kTag1Mask;
    }else {
        _tag.bits &= ~kTag1Mask;
    }
}

- (BOOL)tag2 {
    return !!(_tag.bits & kTag2Mask);
}

- (void)setTag2:(BOOL)tag2 {
    if (tag2) {
        _tag.bits |= kTag2Mask;
    }else {
        _tag.bits &= ~kTag2Mask;
    }
}

- (BOOL)tag3 {
    return !!(_tag.bits & kTag3Mask);
}

- (void)setTag3:(BOOL)tag3 {
    if (tag3) {
        _tag.bits |= kTag3Mask;
    }else {
        _tag.bits &= ~kTag3Mask;
    }
}

- (BOOL)tag4 {
    return !!(_tag.bits & kTag4Mask);
}

- (void)setTag4:(BOOL)tag4 {
    if (tag4) {
        _tag.bits |= kTag4Mask;
    }else {
        _tag.bits &= ~kTag4Mask;
    }
}

- (NSString *)description {
    return [NSString stringWithFormat:@"tag1: %d, tag2: %d, tag3: %d, tag4: %d",
            self.tag1,
            self.tag2,
            self.tag3,
            self.tag4];
}

代码验证

CWObject *cw = [[CWObject alloc] init];
cw.tag1 = YES;
cw.tag2 = NO;
cw.tag3 = NO;
cw.tag4 = YES;
NSLog(@"%@", cw);

控制台打印如下：

tag1: 1, tag2: 0, tag3: 0, tag4: 1

后记

反正平时开发中，基本不会这么干吧？但是这种优化的思想是值得学习的。