iOS原理 Tagged Pointer

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Tagged Pointer是内存管理中的一种优化方案，专门用来处理小对象，例如NSNumber、NSDate以及比较简短的NSString等对象。

Tagged Pointer对象示例

以NSString为例，通过几种不同的创建方式，看看什么情况下会被指定为Tagged Pointer小对象。

-(void)testString{
    
    //一、通过@""方式直接创建
    NSString *str1 = @"a";
    
    //二、通过WithString方式创建
    NSString *str2 = [[NSString alloc] initWithString:@"b"];
    NSString *str3 = [NSString stringWithString:@"c"];
    
    //三、通过WithFormat方式创建
    
    //1.字母+数字
    //length<=9
    NSString *str4 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"d12345678"];
    NSString *str5 = [NSString stringWithFormat:@"d12345678"];
    //length>9
    NSString *str6 = [[NSString alloc] initWithFormat:@"m123456789"];
    NSString *str7 = [NSString stringWithFormat:@"m123456789"];
    
    //2.汉字
    NSString *str8 = [NSString stringWithFormat:@"哈"];
    
    NSLog(@" ==== str1: %p -> %@", str1, [str1 class]);
    NSLog(@" ==== str2: %p -> %@", str2, [str2 class]);
    NSLog(@" ==== str3: %p -> %@", str3, [str3 class]);
    NSLog(@" ==== str4: %p -> %@", str4, [str4 class]);
    NSLog(@" ==== str5: %p -> %@", str5, [str5 class]);
    NSLog(@" ==== str6: %p -> %@", str6, [str6 class]);
    NSLog(@" ==== str7: %p -> %@", str7, [str7 class]);
    NSLog(@" ==== str8: %p -> %@", str8, [str8 class]);
}

//打印结果
2020-12-13 22:36:28.558306+0800 内存管理[22620:86657016]  ==== str1: 0x10803e0c0 -> __NSCFConstantString
2020-12-13 22:36:28.558500+0800 内存管理[22620:86657016]  ==== str2: 0x10803e0e0 -> __NSCFConstantString
2020-12-13 22:36:28.558608+0800 内存管理[22620:86657016]  ==== str3: 0x10803e100 -> __NSCFConstantString
2020-12-13 22:36:28.558710+0800 内存管理[22620:86657016]  ==== str4: 0xef9db66a4e9a23af -> NSTaggedPointerString
2020-12-13 22:36:28.558841+0800 内存管理[22620:86657016]  ==== str5: 0xef9db66a4e9a23af -> NSTaggedPointerString
2020-12-13 22:36:28.558943+0800 内存管理[22620:86657016]  ==== str6: 0x60000299be40 -> __NSCFString
2020-12-13 22:36:28.559050+0800 内存管理[22620:86657016]  ==== str7: 0x60000299be60 -> __NSCFString
2020-12-13 22:36:28.559136+0800 内存管理[22620:86657016]  ==== str8: 0x60000299be80 -> __NSCFString

从打印结果可知，NSString对象的内存管理会存在下面这3种情况：

NSCFConstantString：字符串常量，存储在常量区，编译期就会分配好内存，对其操作不会引起引用计数的变化。
使用@""或WithString方式创建的字符串，均属于NSCFConstantString。
NSCFString：运行时创建的字符串对象，存储在堆区，通过引起计数来管理。
使用WithFormat方式创建的字符串对象，长度大于9或者包含汉字，均为NSCFString。
NSTaggedPointerString：字符串小对象，存储在常量区，不会引起引用计数的变化。
使用WithFormat方式创建的字符串对象，长度<=9且不含汉字，即为NSTaggedPointerString。

Tagged Pointer对象的区别

从上面示例的打印结果中可看到，NSTaggedPointerString的输出地址和其他两种有着明显的区别，这里猜测，系统是直接通过地址来区分是否为Tagged Pointer对象的。

我们知道，上面示例的字符串创建过程实际上是对指针对象作了一次setter操作，而在iOS原理对象的本质一文中可知，setter方法在底层是调用objc_setProperty方法，通过先retain新值、再release旧值来实现。而retain和release操作往往会改变对象的引用计数，但已知Tagged Pointer对象存在常量区，引用计数不会变化，因此可断定，在retain和release方法内部必定对Tagged Pointer对象作了判断处理。

基于此，可以在objc源码中查看retain和release方法的实现，来跟踪分析Tagged Pointer的判断逻辑。

__attribute__((aligned(16), flatten, noinline))
id 
objc_retain(id obj)
{
    if (!obj) return obj;
    //若是TaggedPointer，直接返回，不做retain处理
    if (obj->isTaggedPointer()) return obj;
    return obj->retain();
}

__attribute__((aligned(16), flatten, noinline))
void 
objc_release(id obj)
{
    if (!obj) return;
    //若是TaggedPointer，直接返回，不做release处理
    if (obj->isTaggedPointer()) return;
    return obj->release();
}

果然，可以看到在objc_retain和objc_release内部均做了判断：若是Tagged Pointer对象，就直接返回，不会进行retain和release操作。

接着分析isTaggedPointer()的源码：

#define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)

static inline bool 
_objc_isTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
    //判断对象地址转为64位二级制后，最高位是否为1
    return ((uintptr_t)ptr & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK;
}

从源码可知，Tagged Pointer对象的判断逻辑为：若对象的地址转换成64位二进制后，最高位为1，则为Tagged Pointer对象。

Tagged Pointer对象的地址分析

还是以NSString对象来分析，先创建一个NSTaggedPointerString对象，再打印地址

NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"a"];
NSLog(@" ==== str: %@ -> %p -> %@", str, str, [str class]);

//打印结果
2020-12-14 00:46:21.836117+0800 内存管理[30039:87189564]  ==== str: a -> 0x938c95d512f57e48 -> NSTaggedPointerString

可以看到，小对象str的地址为0x938c95d512f57e48。从iOS原理内存五大区一文可知，五大区中栈区处于最高位，地址一般以0x7开头，常量区地址一般以0x1开头，而Tagged Pointer对象存储在常量区，地址不可能是以0x9开头。因此，这里输出的str地址，不是真实的内存空间地址。

通过查看源码可知，在iOS14后系统对Tagged Pointer对象的地址进行了混淆处理:

//编码
static inline void * _Nonnull
_objc_encodeTaggedPointer(uintptr_t ptr)
{
    //将地址与objc_debug_taggedpointer_obfuscator异或进行编码混淆
    return (void *)(objc_debug_taggedpointer_obfuscator ^ ptr);
}

//解码
static inline uintptr_t
_objc_decodeTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
    //将混淆后的地址与objc_debug_taggedpointer_obfuscator异或进行解码
    return (uintptr_t)ptr ^ objc_debug_taggedpointer_obfuscator;
}

混淆过程即是：通过第一次异或运算进行编码混淆，再通过第二次异或运算进行解码获取到地址。

因此，这里复制解码函数的代码到文件里调用，将str的地址进行解码后打印输出：

//源码拷贝出来
extern uintptr_t objc_debug_taggedpointer_obfuscator;

uintptr_t
_objc_decodeTaggedPointer_(id ptr)
{
    return (uintptr_t)ptr ^ objc_debug_taggedpointer_obfuscator;
}

//将小对象的地址解码后以16进制的格式打印
NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"a"];
NSLog(@" ==== str: %@ -> %p -> %@", str, str, [str class]);
NSLog(@" ==== str decode: 0x%lx", _objc_decodeTaggedPointer_(str));

//打印结果
2020-12-14 19:39:03.396941+0800 内存管理[48198:88245695]  ==== str: a -> 0xc618611a5f17536f -> NSTaggedPointerString
2020-12-14 19:39:03.397753+0800 内存管理[48198:88245695]  ==== str decode: 0xa000000000000611

可以看到，解码后的地址为0xa000000000000611。这个地址其实也不是真实地址，而是包含了Tagged Pointer对象的地址+值等信息：

a：转换为二进制为1 010，其中1表示此对象为Tagged Pointer对象。010表示对象的类型，对应objc_tag_index_t的枚举值，此处为2，表示是NSString类型。

enum objc_tag_index_t : uint16_t
#else
typedef uint16_t objc_tag_index_t;
enum
#endif
{
    // 60-bit payloads
    OBJC_TAG_NSAtom            = 0, 
    OBJC_TAG_1                 = 1, 
    OBJC_TAG_NSString          = 2, 
    OBJC_TAG_NSNumber          = 3, 
    OBJC_TAG_NSIndexPath       = 4, 
    OBJC_TAG_NSManagedObjectID = 5, 
    OBJC_TAG_NSDate            = 6,
    ...  ...
}

00000000000061：0x61转换为十进制为97，刚好是字符a的ASSII码。所以中间的这部分，储存的是小对象的值。
1：最低位是系统用于做其他处理，没有实际用途。

由于Tagged Pointer对象的地址中包含了对象的值，所以读取时不需要像NSCFString对象那样，先获取栈区指针保存的地址，再通过地址在堆区访问对象，而是可以直接获取，读取效率提高了3倍。

关于Tagged Pointer的一道面试题

问：下面这两种情况的运行结果有什么不同？

dispatch_queue_t queue = dispatch_queue_create("", DISPATCH_QUEUE_CONCURRENT);
for(NSInteger i=0; i<1000; i++){
    
    dispatch_async(queue, ^{
        
        //情况一
        self.text = [NSString stringWithFormat:@"a123"];
        
        //情况二
        self.text = [NSString stringWithFormat:@"a123456789"];
        
        
        NSLog(@" ==== text = %@", self.text);
    });
}

答：情况一正常运行，情况二运行报错。

从代码来看，两种情况唯一不同的地方是字符串的长度不同，而字符串的创建也会对指针对象text进行setter操作，底层会先retain新值、再release旧值，且不能保证线程安全。所以两种情况运行结果不一致的原因在于：

情况一：创建的字符串为NSTaggedPointerString对象，在retain和release时会直接返回，不作任何处理，所以能正常运行。
情况二：创建的字符串为NSCFString对象，在多线程模式下进行release操作，会使得多条线程同时对一个对象释放，导致过度释放，所以会运行报错。

总结

通过上面的分析，Tagged Pointer可以得出以下结论：

Tagged Pointer是用来处理小对象，例如NSNumber、NSDate以及比较简短的NSString等对象，存储在常量区。
Tagge Pointer对象不会进行retain和release操作，不需要ARC管理，内存由系统自主分配和回收。
Tagge Pointer对象，相比堆区存储的对象，读取效率提高约3倍，创建效率快了近100倍，且内存占用更小。
Tagged Pointer对象的地址不再是简单的地址，而是地址+值。在64位的二进制地址中：
- 第64位（1位）：用于判断是否为Tagged Pointer对象，1为真。
- 第61-63位（3位）：用于表示对象的类型，值对应objc_tag_index_t的枚举值。
- 第5-60位（56位）：用于存储对象的值，这是读取效率高的原因。
- 第1-4位（4位）：系统用于其他处理，没有实际用途。

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