64位與Tagged Pointer

在Mac OS X 10.6（Snow Leopard）中開始支持64位，如今最新版本iPhone 5s也開始采用了Arm64架構。在64位化的過程中，其中一個比較關鍵的改進就是，Mac OS 10.7（Lion）和iOS 7的64位環境先后引入了Tagged Pointer。下面就簡單地來介紹一下Tagged Pointer，在介紹Tagged Pointer之前有必要介紹一下指針地址對齊概念和64位環境的一些變化。

指針地址對齊

在32位環境下，如果要讀取一個32位整數，如果這個32位整數在內存地址為0x00000002-0x00000006（僅作舉例，這個地址一般是被系統保留的）的內存上，讀取這個整數會消耗2個CPU周期，而如果這個數在0x00000004-0x00000008的內存上只需要一個CPU周期。為了加快內存的CPU訪問，程序都使用了指針地址對齊概念。指針地址對齊就是指在分配堆中的內存時往往采用偶數倍或以2為指數倍的內存地址作為地址邊界。幾乎所有系統架構，包括Mac OS和iOS，都使用了地址對齊概念。

void *a = malloc(1);
void *b = malloc(3);
NSLog(@"a: %p",a);
NSLog(@"b: %p",b);

運行這段代碼后，我得到了如下結果：

a: 0x8c11e20
b: 0x8c11e30

可以看到，a和b指針的最后4位都是0，雖然a只占用1個字節，但是a和b的地址卻相差16個字節。因為iOS中是以16個字節為內存分配邊界的，或者說iOS的指針地址對齊是以16個字節為對齊邊界的。進一步說，iOS中分配的內存地址最后4位永遠都是0。

64位地址

在不久前發布iPhone5s中采用了Arm64的CPU，同時也支持了64位的App。64位App中指針大小也擴大到64位，就是理論上可以支持最大2 ⁶⁴ 字節（達千萬T字節）的內存地址空間。而對于大多數應用來說，這么大的地址空間完全是浪費的。也就是說64位環境下，內存地址的前面很多位一般都是0。

Tagged Pointer

由于指針地址對齊概念和64位超大地址的出現，指針地址僅僅作為內存的地址是比較浪費的，我們可以在指針地址中保存或附加更多的信息。這就引入了Tagged Pointer概念。Tagged Pointer是指那些指針中包含特殊屬性或信息的指針。其中指針對齊概念可以讓我們來標識一個指針是否是Tagged Pointer以及相關類型，64位的地址指針又為我們提供保存額外信息的足夠空間。如今，iOS 7的64位環境和Mac OS 10.7（Lion）中開始引入了Tagged Pointer。

NSNumber的優化

Tagged Pointer一個比較典型的應用就是NSNumber，在64位環境下，對于一般的數字，NSNumber不用再分配內存了。我們看看NSNumber是如何運用Tagged Pointer的：

NSNumber *number3 = @3;
NSNumber *number4 = @4;
NSNumber *number9 = @9;
NSLog(@"number3 pointer is %p", number3);
NSLog(@"number4 pointer is %p", number4);
NSLog(@"number9 pointer is %p", number9);

在64位模擬器中運行后，我得到了如下結果：

number3 pointer is 0xb000000000000032
number4 pointer is 0xb000000000000042
number9 pointer is 0xb000000000000092

可以看出 number3 、 number4 和 number9 的值前4位都是0xb，后4位都是0x2（指針的Tag），中間就是實際的取值，因此，這些NSNumber已經不需要再分配內存（指堆中內存）了，直接可以把實際的值保存到指針中，而無需再去訪問堆中的數據。這無疑提高的內存訪問速度和整體運算速度。

也就是說Tagged Pointer本身就可以表示一個NSNumber了，在64位環境下運行這段代碼：

NSLog(@"0xb000000000000052's class is %@",[(NSNumber*)0xb000000000000052 class]); 

0xb000000000000052's class is __NSCFNumber 

那么如果一個數超過了Tagged Pointer所能表示的范圍，系統會怎么處理？看看這段代碼：

NSNumber *numberBig = @(0x1234567890ABCDEF); NSLog(@"numberBig pointer is %p", numberBig); 

在64位模擬器中運行后，我得到了如下結果：

numberBig pointer is 0x1094026a0 

可以看出 numberBig 指針最后4位都是0，應該是分配在堆中的對象。因此，如果NSNumber超出了Tagged Pointer所能表示的范圍，系統會自動采用分配成對象，可以根據指針的最后4位是否為0來區分。

isa指針優化

查看NSObject類的頭文件，你會發現這段定義：

@interface NSObject <NSObject> { Class isa; } 

所有類都繼承自NSObject，因此每個對象都有一個isa 1 指針指向它所屬的類。在《 ARM64 and You 》文章中指出：

在32位環境下，對象的引用計數都保存在一個外部的表中，而對引用計數的增減操作都要先鎖定這個表，操作完成后才解鎖。這個效率是非常慢的。

而在64位環境下，isa也是64位，實際作為指針部分只用到的其中33位，剩余的部分會運用到Tagged Pointer的概念，其中19位將保存對象的引用計數，這樣對引用計數的操作只需要原子的修改這個指針即可，如果引用計數超出19位，才會將引用計數保存到外部表，而這種情況往往是很少的，因此效率將會大大提高。

參考文獻

• Objective-C對象模型及應用： http://blog.devtang.com/blog/2013/10/15/objective-c-object-model/
• ARM64 and You： http://www.mikeash.com/pyblog/friday-qa-2013-09-27-arm64-and-you.html

 

來自： http://blog.xcodev.com/blog/2013/10/21/tagged-pointer-and-64-bit/