Objective-C对象的 TaggedPointer 特性

前言

前段时间,看到在知识小集的交流群里正在讨论 copymutableCopy 的相关特性。所以自己写了一个 Demo 验证一下群里提供的表是否正确。后来发现了 NSString 出现了中间类的情况。所以,写了这篇文章,记录一下。

NSString 解析

在 iOS 开发中字符串的使用通常用的比较多的是 NSString 而不是 char。而对于这个 NSString 类,实际上在编译和运行的时候会转化为不同的类型。所以接下来,就需要了解一下这些相关类:NSStringNSMutableString__NSCFConstantString__NSCFStringNSTaggedPointerString

NSString 相关类说明表格

NSString 相关类说明表格

测试代码

测试代码主要分为两部分:NSStringNSMutableString。当然,会通过这两部分代码说明问题。

NSString 测试代码

首先,执行 NSString 的测试代码,如下:

NSString *str = @"abc"; // __NSCFConstantString
NSString *str1 = @"abc"; //__NSCFConstantString
NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@"%@", str]; // NSTaggedPointerString
NSString *str3 = [str copy]; // __NSCFConstantString
NSString *str4 = [str mutableCopy]; // __NSCFString

NSLog(@"str(%@<%p>: %p): %@", [str class], &str, str, str);
NSLog(@"str1(%@<%p>: %p): %@", [str1 class], &str1, str1, str1);
NSLog(@"str2(%@<%p>: %p): %@", [str2 class], &str2, str2, str2);
NSLog(@"str3(%@<%p>: %p): %@", [str3 class], &str3, str3, str3);
NSLog(@"str4(%@<%p>: %p): %@", [str4 class], &str4, str4, str4);

变量内存分布截图:

NSString变量状态

打印的结果如下:

2018-08-10 19:35:59.172724+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5ba8>: 0x10301c090): abc
2018-08-10 19:35:59.173112+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str1(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5ba0>: 0x10301c090): abc
2018-08-10 19:35:59.173445+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str2(NSTaggedPointerString<0x7ffeecbe5b98>: 0xa000000006362613): abc
2018-08-10 19:35:59.173616+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str3(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5b90>: 0x10301c090): abc
2018-08-10 19:35:59.173845+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str4(__NSCFString<0x7ffeecbe5b88>: 0x600000259050): abc

NSMutableString 测试代码

接下来,执行 NSMutableString 的测试代码,如下:

NSMutableString *str = [NSMutableString stringWithString:@"abc"];
NSMutableString *str1 = [NSMutableString stringWithString:@"abc"];
NSMutableString *str2 = [NSMutableString stringWithFormat:@"%@", str];
NSMutableString *str3 = [str copy];
NSMutableString *str4 = [str mutableCopy];

NSLog(@"str(%@<%p>: %p): %@", [str class], &str, str, str);
NSLog(@"str1(%@<%p>: %p): %@", [str1 class], &str1, str1, str1);
NSLog(@"str2(%@<%p>: %p): %@", [str2 class], &str2, str2, str2);
NSLog(@"str3(%@<%p>: %p): %@", [str3 class], &str3, str3, str3);
NSLog(@"str4(%@<%p>: %p): %@", [str4 class], &str4, str4, str4);

变量内存分布截图:

NSMutableString变量状态

打印的结果如下:

2018-08-10 21:37:49.709725+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str(__NSCFString<0x7ffeed8e6ba8>: 0x60000044f6c0): abc
2018-08-10 21:37:49.709956+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str1(__NSCFString<0x7ffeed8e6ba0>: 0x600000450290): abc
2018-08-10 21:37:49.710309+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str2(__NSCFString<0x7ffeed8e6b98>: 0x600000450740): abc
2018-08-10 21:37:49.710652+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str3(NSTaggedPointerString<0x7ffeed8e6b90>: 0xa000000006362613): abc
2018-08-10 21:37:49.711494+0800 TestCocoaPods[4309:248326] str4(__NSCFString<0x7ffeed8e6b88>: 0x6000004506e0): abc

相关类的继承链条

以上所说的字符串的相关类,它们有什么关系呢?或者说有什么关联呢?这一节主要围绕这两个问题展开。由以上的测试代码和测试结果可以推断出字符串类的继承链条如下:

__NSCFConstantString -> __NSCFString -> NSMutableString -> NSString -> NSObject

其中,编译后的 NSString 一般实际使用的是 __NSCFConstantString,编译后的 NSMutableString 一般实际是使用 __NSCFString。所以,开发者只要了解其对应关系就可以了。从测试代码中打印的结果看还有一种类:NSTaggedPointerString。这是干嘛的呢?其实严格地说,这并不是一个类,它是适用于 64位处理器 的一个内存优化机制,也就是 Tagged Pointer
接下来,将从 CoreFoundation 露出来的头文件进行分析。

__NSCFConstantString 字符串常量

在编译期间,就已经决定 NSString -> __NSCFConstantString。所以同一个字符串常量在堆区只分配一个空间,并且 retainCount最大。也就是说不会被释放掉。该类的定义在 CoreFoundation 中的 __NSCFConstantString.h 文件中。
定义代码如下:

 __NSCFConstantString : __NSCFString

- (id)autorelease;
- (id)copyWithZone:(struct _NSZone { }*)arg1;
- (bool)isNSCFConstantString__;
- (oneway void)release;
- (id)retain;
- (unsigned long long)retainCount;

如上代码可知,__NSCFConstantString 是继承于 __NSCFString。也就是说,重复的声明同样内容的字符串常量,实际上指向的是同一个堆区地址,如NSString测试代码的以下几行:

NSString *str = @"abc"; // __NSCFConstantString
NSString *str1 = @"abc"; //__NSCFConstantString

打印出的结果对应如下:

2018-08-10 19:35:59.172724+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5ba8>: 0x10301c090): abc
2018-08-10 19:35:59.173112+0800 TestCocoaPods[3527:192649] str1(__NSCFConstantString<0x7ffeecbe5ba0>: 0x10301c090): abc

可以看出,打印出来的堆区地址都是 0x10301c090

__NSCFString 可变字符串

在编译期间,就已经决定 NSMutableString -> __NSCFString。所以一个可变字符串常量在堆区会分配一个空间,并且 retainCount1,也就是说按正常对象的生命周期被释放。该类的定义在 CoreFoundation 中的 __NSCFString.h
定义代码如下:

 __NSCFString : NSMutableString

...

如上代码可知,__NSCFString 是继承于 NSMutableString

NSTaggedPointerString

在编译期间,已经会决定 NSString -> NSTaggedPointerString。值将存储在指针空间,也就是栈(Stack)区,并且 retainCount最大。不过要触发这样的类型转换,需要满足以下两个条件:

  • 64位处理器
  • 内容很少,栈区能够装得下

具体的内存分布请看 Tagged Pointer

NSNumber 解析

在 iOS 开发中,数字通常会使用 NSNumber 类进行封装承载。而对于这个 NSNumber 类,实际上在编译和运行的时候会转化为不同的类型。所以接下来,就需要了解一下这些相关类:NSNumber__NSCFNumberNSValue

NSNumber 相关类说明表格

NSNumber 相关类说明表格

测试代码

执行NSNumber的测试代码:

NSNumber *num1 = 
NSNumber *num2 = 
NSNumber *num3 = 
NSNumber *num4 = @(3.1415927);
NSNumber *num5 = [num1 copy];
NSNumber *num6 = [num4 copy];

NSLog(@"num1(%@<%p>: %p): %@", [num1 class], &num1, num1, num1);
NSLog(@"num2(%@<%p>: %p): %@", [num2 class], &num2, num2, num2);
NSLog(@"num3(%@<%p>: %p): %@", [num3 class], &num3, num3, num3);
NSLog(@"num4(%@<%p>: %p): %@", [num4 class], &num4, num4, num4);
NSLog(@"num5(%@<%p>: %p): %@", [num5 class], &num5, num5, num5);
NSLog(@"num6(%@<%p>: %p): %@", [num6 class], &num6, num6, num6);

变量内存分布截图:

NSNumber变量状态

打印的结果如下:

2018-08-10 23:55:08.025987+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num1(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b70>: 0xb000000000000012): 1
2018-08-10 23:55:08.026190+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num2(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b68>: 0xb000000000000022): 2
2018-08-10 23:55:08.026329+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num3(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b60>: 0xb000000000000032): 3
2018-08-10 23:55:08.026422+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num4(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b58>: 0x604000425be0): 3.1415927
2018-08-10 23:55:08.026516+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num5(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b50>: 0xb000000000000012): 1
2018-08-10 23:55:09.688991+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num6(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b48>: 0x604000425be0): 3.1415927

相关类的继承链条

以上所说的数字的相关类,它们有什么关系呢?或者说有什么关联呢?这一节主要围绕这两个问题展开。由以上的测试代码和测试结果可以推断出数字类的继承链条如下:

__NSCFNumber -> NSNumber -> NSValue -> NSObject

其中,编译后的 NSNumber 一般实际使用的是 __NSCFNumber。所以,开发者只要了解其对应关系就可以了。在 Tagged Pointer 机制中,和字符串不同的地方是没有对应的Tagged Pointer对象类型。
接下来,将从 CoreFoundation 露出来的头文件进行分析。

__NSCFNumber 数字类

在编译期间,就已经决定 NSNumber -> __NSCFNumber。所以同一个字符串常量在堆区会分配一个空间,并且 retainCount1。该类的定义在 CoreFoundation 中的 __NSCFNumber.h 文件中。
定义代码如下:

 __NSCFNumber : NSNumber

+ (bool)automaticallyNotifiesObserversForKey:(id)arg1;

- (long long)_cfNumberType;
- (unsigned long long)_cfTypeID;
- (unsigned char)_getValue:(void*)arg1 forType:(long long)arg2;
- (bool)_isDeallocating;
- (long long)_reverseCompare:(id)arg1;
- (bool)_tryRetain;
- (bool)boolValue;
- (BOOL)charValue;
- (long long)compare:(id)arg1;
- (id)copyWithZone:(struct _NSZone { }*)arg1;
- (id)description;
- (id)descriptionWithLocale:(id)arg1;
- (double)doubleValue;
- (float)floatValue;
- (void)getValue:(void*)arg1;
- (unsigned long long)hash;
- (int)intValue;
- (long long)integerValue;
- (bool)isEqual:(id)arg1;
- (bool)isEqualToNumber:(id)arg1;
- (bool)isNSNumber__;
- (long long)longLongValue;
- (long long)longValue;
- (const char *)objCType;
- (oneway void)release;
- (id)retain;
- (unsigned long long)retainCount;
- (short)shortValue;
- (id)stringValue;
- (unsigned char)unsignedCharValue;
- (unsigned int)unsignedIntValue;
- (unsigned long long)unsignedIntegerValue;
- (unsigned long long)unsignedLongLongValue;
- (unsigned long long)unsignedLongValue;
- (unsigned short)unsignedShortValue;

__NSCFNumber 的 Tagged Pointer 特性

在编译期间,就已经决定 NSNumber -> __NSCFNumber。不过,需要启动 Tagged Pointer 的条件和字符串的 NSTaggedPointerString条件一样如下:

  • 64位处理器
  • 数字较小,栈区能够装得下

Tagged Pointer 特性分析

为了改进从 32位CPU 迁移到 64位CPU内存浪费和效率问题,在 64位CPU 环境下,引入了 Tagged Pointer 对象。有了这样的机制,系统会对 NSStringNSNumberNSDate等对象进行优化。

未引入 Tagged Pointer 内存分布

一般的 iOS 程序,从32位迁移到64位CPU,虽然逻辑上是不会有任何变化,但是所占有的内存空间就会翻倍。以 NSInteger 封装成 NSNumber 为例,内存分布图如下:

未引入TaggedPointer内存分布图

由分布图所示,占用内存从32位CPU的12个字节24个字节整整翻了一倍。

引入 Tagged Pointer 内存分布

引用了 Tagged Pointer 的对象,节省了分配在堆区的空间,将值存在指针区域的栈区。从而节省了内存空间以及大大提升了访问速度。以 NSInteger 封装成 NSNumber 为例,内存分布图如下:

引入TaggedPointer内存分布图

由分布图所示,占用内存从32位CPU的12个字节8个字节,还节省了3个字节的内存空间。而且引用计数 retainCount最大值

验证过程

根据以上NSNumber的测试代码:

NSNumber *num1 = 
NSNumber *num2 = 
NSNumber *num3 = 
NSNumber *num4 = @(3.1415927);
NSNumber *num5 = [num1 copy];
NSNumber *num6 = [num4 copy];

打印的结果如下:

2018-08-10 23:55:08.025987+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num1(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b70>: 0xb000000000000012): 1
2018-08-10 23:55:08.026190+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num2(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b68>: 0xb000000000000022): 2
2018-08-10 23:55:08.026329+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num3(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b60>: 0xb000000000000032): 3
2018-08-10 23:55:08.026422+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num4(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b58>: 0x604000425be0): 3.1415927
2018-08-10 23:55:08.026516+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num5(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b50>: 0xb000000000000012): 1
2018-08-10 23:55:09.688991+0800 TestCocoaPods[5422:331863] num6(__NSCFNumber<0x7ffee5c32b48>: 0x604000425be0): 3.1415927

说明使用 Tagged Pointer 的对象的值都会存储在指针的值里。以上打印结果,可看出 0xb 开头的地址都是 Tagged Pointer,只要把前面的 0xb 和 尾部的 2去掉,剩下的就是真正的值。具体的存储细节,可参考 tagged-pointers 文档。
而打印结果中的 num4 变量存储的是双精度浮点数,栈区存不了,所以会在堆区开辟空间存储。

特点总结

Tagged Pointer 的引用主要解决内存浪费访问效率的问题。所以其有以下特点:

  1. Tagged Pointer 专门用于存储的对象,例如:NSStringNSNumberNSDate
  2. Tagged Pointer指针的值不再是堆区地址,而是真正的值。所以,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。所以,它的内存并不存储在堆中,也不需要 mallocfree
  3. 在内存读取上有着 3 倍的效率,创建时比以前快 106 倍。

如此可见,Apple 引入了 Tagged Pointer 不仅仅节省了64位处理器的占用内存空间,还提高了运行效率。

使用注意点

Tagged Pointer 并不是真正的指针,由测试代码的变量内存分布截图,都可表明其对应的 isa 指针已经指向 0x0 地址。所以如果你直接访问 Tagged Pointerisa 成员的话,编译时期将会有警告。可以通过调用 isKindOfClassobject_getClass,避免直接访问对象的 isa 变量。

结论

在iOS的日常开发中,同样内容的字符串常量 __NSCFConstantString 全局只有一份,放在堆区,并且不会被释放(retainCount值最大)。并且由于有 Tagged Pointer 的存在,尽量避免直接访问对象的 isa 变量。

参考文档

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这个作品真棒,我要支持一下!
记录日常开发时所遇到的问题和解决方案,同时也会收藏一些学习时记录的笔记,随想以及翻译的博客等。 个人现在依然专注于...
1条评论

涨姿势,学习了。

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