iOS 底层 - 内存管理之Tagged Pointer

2020-04-15 本文已影响0人水中的蓝天

本文源自本人的学习记录整理与理解，其中参考阅读了部分优秀的博客和书籍，尽量以通俗简单的语句转述。引用到的地方如有遗漏或未能一一列举原文出处还望见谅与指出，另文章内容如有不妥之处还望指教，万分感谢！

关于TaggedPointer

从64bit开始，IOS引入了Tagged Pointer技术；用于优化NSNumber、NSDate、NSString 等小对象(OC对象)的存储；
比如：NSString 就会被优化成NSTaggedPointerString类型
注意：Tagged Pointer技术不会运用在可变类型对象，比如：NSMutableString
在没有使用Tagged Pointer 之前，NSNumber等对象需要动态分配内存、维护引用计数等，NSNumber指针存储的是堆空间NSNumber对象的地址值
使用Tagged Pointer 技术之后，NSNumber指针里面存储的数据变成了：Tag+Data (Tag 是一个标记信息：数据类型),也就是NSNumber指针存储的是NSNumber对象的数据
当对象指针地址的最高有效位是1，则该指针为Tagged Pointer
比如：十六进制0x7 转换成二进制0b1110；十六进制0x6 转换成二进制0b1100；最左边数字是最高有效位；总体来说十六进制最后一位是只要不是0，就是Tagged Pointer指针
当指针不够存储这些数据是，才会使用动态分配内存的方式来存储数据；即将之前的直接动态分配内存，改变为先把数据加上tag值存储在指针中，如果不够再动态分配
Tagged Pointer指针的赋值过程是不会走setter方法和getter方法的
Tagged Pointer是由编译器来实现，开发者全程无感

示例代码：

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        NSNumber   *number = @10;
        
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

*图解：

number-taggedPointer.png

十进制的10 转化成十六进制就是 0xa

优点：

Tagged Pointer技术节省了内存空间开销，本来正常的局部变量的NSNumber指针占8字节，堆空间动态分配内存至少16字节；这样看来需要在两块内存区域分配共24字节；但是Tagged Pointer技术可以实现只在栈空间分配8字节就可以。
在方法调用方面也变的更简单，objc_msgSend能够识别Tagged Pointer，比如NSNumber的intValue方法，直接从指针提取数据，节省了以前的调用开销

示例代码二：

-(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event
{
    NSNumber *number1 = @10;
    NSNumber *number2 = @11;
    NSNumber *number3 = @12;

    NSLog(@"\n         %p \n         %p \n         %p", number1, number2, number3);
}

图解.png

疑问：如何判断一个指针是否是Tagged Pointer ?

iOS 平台，最高有效位是1 (第64bit)
Mac平台，最低有效位是1
这里的有效位是二进制数

底层源码判断.png

底层源码解读.png

还有一个笨办法！

让指针对象调用一个在编译阶段不报错，运行时就报错的方法；看崩溃日志......

比如：

崩溃日志.png

如何区分内存地址是堆控件还是栈空间？

十六进制看最后一位是否是0，如果是0那就是堆空间地址；否则就是栈空间地址；

log.png

NSTaggedPointerString

Tagged Pointer是一个很棒的技术，能把它运用在字符串上很不寻常。显然Apple花了很多心思在这上面，他们必须要看到一个显著的好处。看他们如何把这些技术融合在一起，看他们如何在非常有限的空间里面尽可能的存储信息，实在有趣。

做了什么？

利用有限的空间，把小数据存储在指针内部

有什么用？

提高访问速度，对性能提升很有帮助
节省了内存空间
简单来说：体量更小，🏃跑的更快！

用什么编码方式实现？

NSTaggedPointerString的存储有三种编码方式：ASCII码，六位编码，五位编码。
ASCII码：除去第一位和最后一位，用8位的ascll码的话最多可以存储7个字符。字符串数目0~7之间
六位编码: 六位二进制编码, (144)/6=9.333… ；最多存储9位字符。字符数目在8~9使用
五位编码：五位二进制编码，(144)/5 = 11.2；最多存储11位字符。字符数目在10~11使用

神秘的表：

完整的六位编码表是：

`eilotrm.apdnsIc ufkMShjTRxgC4013bDNvwyUL2O856P-B79AFKEWV_zGJ/HYX`

一个显然的问题是：为什么这个指令这么奇怪?

因为这个表同时用于六位编码和五位编码，它不完全按字母顺序排列是有意义的。最常使用的字符应该是上半部分，而较少使用的字符应该在下半部分。这可以确保尽可能多的长字符串可以使用五位编码。

表中前几个字母与字母出现在英语里的频率相似。最常见的英文字母是E，然后是T，A，O，I，N，S。E作为表的开头是正确的，其他的则靠近开头。表似乎是按使用频率排序。与英语的差异可能是因为Cocoa APP中的短字符串并不是一个从英语散文中随机选择的单词，而是更专业的语言。

但这并不是一成不变的，apple会持续更新并统计字母使用频率，系统每次升级都可能不一样，当前第一位是字母e,之后是i，l，o，t…；这两种编码是从左向右的；根据编码位数我们显然也能推测出并不是所有字符都可以进行ASCII或者六位五位编码的，当出现这样不能编码的时候，系统也就不会使用NSTaggedPointerString类。

开发中那些字符串符合TaggedPointer呢？

对于以前的@""符号创建的字符串还是常量字符串，这个没有改变，但是采用 stringWithFormat： 、stringWithUTF8String：、stringWithString： 等NSString方法的创建字符串对象则有了区别。
用这些方法创建的字符串字符数目在11位之内的会被存储在TaggedPointer指针内部

参考优秀文章：

【译】采用Tagged Pointer的字符串

iOS 底层 - 内存管理之Tagged Pointer

关于TaggedPointer

NSTaggedPointerString

神秘的表：

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