iOS ------ tagged Pointer 内存对齐

一，tagged Pointer

为了节省内存和进步执行效率，苹果在64bit程序中引入了Tagged Pointer计数，用于优化NSNumber, NSDate, NSString等小对象的存储。一个指针或地点区域，除了放对象地点之外，也可以放其他额外的信息，并将此中的一些bit位作为tag标记区分，这就叫做Tagged Pointer。
从占用内存来看

指针类型的巨细通常也是与 CPU 位数相关，一个指针所在 32 bit 下占用 4 个字节，在 64 bit 下占用 8 个字节。
NSNumber等对象的指针中存储的数据酿成了Tag+Data情势（Tag为特殊标记，用于区分NSNumber、NSDate、NSString等对象类型；Data为对象的值）。如许利用一个NSNumber对象只需要 8 个字节指针内存。当指针的 8 个字节不够存储数据时，才会在将对象存储在堆上。
在 64 bit 下，假如没有利用Tagged Pointer的话，为了利用一个NSNumber对象就需要 8 个字节指针内存和 32 个字节对象内存。

1.     NSInteger i = 0xFFFFFFFFFFFFFF;
2.     NSNumber *number = [NSNumber numberWithInteger:i];
3.     NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)(number))); // 32
4.     NSLog(@"%zd", sizeof(number)); // 8

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利用了Tagged Pointer且指针的8歌字节够存储数据，NSNumber对象的值直接存储在了指针上，不会在堆上申请内存。则利用一个NSNumber对象只需要指针的 8 个字节内存就够了，大大的节省了内存占用。

1. NSInteger i = 1;
2. NSNumber *number = [NSNumber numberWithInteger:i];
3. NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)(number))); // 0
4. NSLog(@"%zd", sizeof(number)); // 8

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从效率上来看

为了利用一个NSNumber对象，需要在堆上为其分配内存，还要维护它的引用计数，管理它的生命周期，影响执行的效率
NSNumber

1. int main(int argc, const char * argv[]) {
2.     @autoreleasepool {
3.         NSNumber *number1 = @1;
4.         NSNumber *number2 = @2;
5.         NSNumber *number3 = @3;
6.         NSNumber *number4 = @(0xFFFFFFFFFFFFFFFF);
7.    
8.         NSLog(@"%p %p %p %p", number1, number2, number3, number4);
9.     }
10.     return 0;
11. }
12. // 关闭 Tagged Pointer 数据混淆后：0x127 0x227 0x327 0x600003a090e0
13. // 关闭 Tagged Pointer 数据混淆前：0xaca2838a63a4fb34 0xaca2838a63a4fb04 0xaca2838a63a4fb14 0x600003a090e0

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number1～number3指针为Tagged Pointer类型，可以看到对象的值都存储在了指针中，对应0x1、0x2、0x3。而number4由于数据过大，指针的8个字节不够存储，以是在堆中分配了内存。
0x127 中的 2 和 7 表示什么？
我们先来看这个7，0x127为十六进制表示，7的二进制为0111。最后一位1是Tagged Pointer标识位，代表这个指针是Tagged Pointer。前面的011是类标识位，对应十进制为3，表示NSNumber类。
可以在Runtime源码objc4中检察NSNumber、NSDate、NSString等类的标识位

1. // objc-internal.h
2. {
3.     OBJC_TAG_NSAtom            = 0,
4.     OBJC_TAG_1                 = 1,
5.     OBJC_TAG_NSString          = 2,
6.     OBJC_TAG_NSNumber          = 3,
7.     OBJC_TAG_NSIndexPath       = 4,
8.     OBJC_TAG_NSManagedObjectID = 5,
9.     OBJC_TAG_NSDate            = 6,
10.     ......
11. }

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0x127 中的 2（即倒数第二位）又代表什么呢？
倒数第二位用来表示数据类型。
Tagged Pointer倒数第二位对应数据类型：
   0： char
1： short
2： int
3： long
4： float
5： double
  

NSString

1. int main(int argc, const char * argv[]) {
2.     @autoreleasepool {
3.         NSString *a = @"a";
4.         NSMutableString *b = [a mutableCopy];
5.         NSString *c = [a copy];
6.         NSString *d = [[a mutableCopy] copy];
7.         NSString *e = [NSString stringWithString:a];
8.         NSString *f = [NSString stringWithFormat:@"f"];
9.         NSString *string1 = [NSString stringWithFormat:@"abcdefg"];
10.         NSString *string2 = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghi"];
11.         NSString *string3 = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghij"];
12.     }
13.     return 0;
14. }
15. a: 0x100002038, __NSCFConstantString, 18446744073709551615
16. b: 0x10071f3c0, __NSCFString, 1
17. c: 0x100002038, __NSCFConstantString, 18446744073709551615
18. d: 0x6115, NSTaggedPointerString, 18446744073709551615
19. e: 0x100002038, __NSCFConstantString, 18446744073709551615
20. f: 0x6615, NSTaggedPointerString, 18446744073709551615
21. string1: 0x6766656463626175, NSTaggedPointerString, 18446744073709551615
22. string2: 0x880e28045a54195, NSTaggedPointerString, 18446744073709551615
23. string3: 0x10071f6d0, __NSCFString, 1 */

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为Tagged Pointer的有d、f、string1、string2指针。它们的指针值分别为0x6115、0x6615 、0x6766656463626175、0x880e28045a54195。
此中0x61、0x66、0x67666564636261分别对应字符串的 ASCII 码。
最后一位5的二进制为0101，最后一位1是代表这个指针是Tagged Pointer，010对应十进制为2，表示NSString类。
倒数第二位1、1、7、9代表字符串长度。

NSString的类型NSString类型
注意： MacOS与iOS平台下的Tagged Pointer有差别:
   MacOS下接纳 LSB（Least Significant Bit，即最低有效位）为Tagged Pointer标识位
iOS下则接纳MSB（Most Significant Bit，即最高有效位）为Tagged Pointer标识位。
  下图是iOS下NSNumber的Tagged Pointer位视图： Tagged Pointer 位视图

下图是iOS下NSString的Tagged Pointer位视图：

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执行以下两段代码，有什么区别？

1.     dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
2.     for (int i = 0; i < 1000; i++) {
3.         dispatch_async(queue, ^{
4.             self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghij"];
5.         });
6.     }

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1.     dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(0, 0);
2.     for (int i = 0; i < 1000; i++) {
3.         dispatch_async(queue, ^{
4.             self.name = [NSString stringWithFormat:@"abcdefghi"];
5.         });
6.     }

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第一段代码会报错
第一段代码中self.name为__NSCFString类型，而第二段代码中为NSTaggedPointerString类型。__NSCFString存储在堆上，它是个正常对象，需要维护引用计数的。self.name通过setter方法为其赋值。而setter方法的实现如下：

1. - (void)setName:(NSString *)name {
2.     if(_name != name) {
3.         [_name release];
4.         _name = [name retain]; // or [name copy]
5.     }
6. }

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我们异步并发执行setter方法，大概就会有多条线程同时执行[_name release]，连续release两次就会造成对象的过度开释，导致Crash。
解决办法：

• 利用atomic属性关键字。
  
• 加锁
  

而第二段代码中的NSString为NSTaggedPointerString类型，在objc_release函数中会判断指针是不是TaggedPointer类型，是的话就不对对象举行release操作，也就避免了因过度开释对象而导致的Crash，由于根本就没执行开释操作。

1. objc_release(id obj)
2. {
3.     if (!obj) return;
4.     if (obj->isTaggedPointer()) return;
5.     return obj->release();
6. }

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二，内存对齐

在iO64位体系中，接纳8字节对齐（盘算属性内存空间巨细总和），最小内存巨细为16个字节，现实分配空间是16字节对齐。
在盘算机中，内存巨细的基本单元是字节，理论上可以在任意地点在访问某种基本数据类型。而盘算机并非按早字节巨细读写内存，而是以2，4，8的字节块来读写内存。因此，编译器会对基本数据类型的正当地点做出一些限定，地点必须是2，4，8的倍数。那么就要求各种数据类型按早一定的规则在空间上排列，这就是内存对齐。
对象的属性内存布局遵照下面规则：

• 布局体变量的首地点是其最长基本类型成员的整数倍
  
• 布局体的总巨细为布局体最大基本类型成员变量的整数倍
  
• 布局体每个成员相对于布局体首地点的偏移量（offset）都是成员巨细的整数倍，如不满足，对前一个成员填充字节以满足
  
• 假如一个布局体内部成员变量包括其他布局体成员，则布局体成员要从其内部成员最大元素巨细的整数倍地点开始储存
  
• 布局体中的成员变量都是分配在连续的内存空间中
  
• 布局体成员顺序差别，会导致所占内存空间不一样；对象经过编译器优化，就不会有这个问题
  

实例：

1. #import <Foundation/Foundation.h>
2. #import <objc/runtime.h>
3. #import <malloc/malloc.h>
4. #import "Person.h"
5. int main(int argc, const char * argv[]) {
6.     @autoreleasepool {
7.         //person 有name，age属性
8.         //如果对象创建了没去赋值属性，它会是内存假地址
9.         Person* person = [[Person alloc] init];
10.         person.name = @"111";
11.         person.age = 20;
12.         //class_getInstanceSize依赖于<ojc/runtime.h>返回创建一个实例对象的内存大小就是获取对象的全部属性的大小
13.         NSLog(@"class_getInstanceSize = %zd", class_getInstanceSize([Person class]));//输出24
14.         //malloc_size依赖于<malloc/malloc.h>返回给系统分配给对象的内存大小，而且最小是16字节。就是获取对象的全部属性的大小总和，然后按8位对齐获得，不足8位补齐8位。        
15.         NSLog(@"malloc_size = %zd", malloc_size((__bridge  const void*)person));//输出32
16.         //最后 sizeOf 得到的内存大小都是8个字节, 是因为 sizeOf获取的是类型所分配内存，所传参数为指针类型，所以最后得到的都是8
17.         NSLog(@"sizeof  = %zd", sizeof(person));//输出8
18.         }
19.     return 0;
20. }

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• class_getInstance 获取实例对象在内存对齐的情况下，所占巨细
  
• malloc_size 获取的是现实体系所分配的内存巨细
  
• sizeOf 获取类型所占字节巨细，假如传的是对象，永远都是8；
  

内存对齐的原因

• 性能上的提升
  从内存的占用的角度来讲，对齐后比未对齐有些情况反而增加了内存分配的开支。数据布局（尤其是栈）应该静大概在自然边界对齐，为了访问为对齐的内存，处理器会举行两次的内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次的访问，最重要进步了内存体系的性能。
  
• 跨平台
  某些硬性的平台不能访问任意地点上的任意数据的，只能 处理特定类型的数据，否则会导致硬件基基层的错误。
  

注意：
假如给类添加方法，类实例对象内存巨细是不会变化的，为什么那？
创建对象的时间并不会给对象的方法分配内存，只会给属性，成员变量分配内存。一个类大概创建多个实例，每个实例的方法都一样，没有差别性，所有对象共用这块存储方法的内存，现实上方法都存储在类实例内里了，一个类只有一个类实例，由体系创建。这么设计的利益就是节省空间，加快初始化速度等

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