Tagged Pointer小记

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本文使用的测试环境是arm64架构真机

为了探究Tagged Pointer本质，可以查看runtime源码，主要看文件objc-internal.h。

宏定义

可以看到以下宏定义，只有在64位系统才支持Tagged Pointer。

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#if __LP64__
#define OBJC_HAVE_TAGGED_POINTERS 1
#endif

64-bit的mac，tag存储在LSB（Least Significant Bit 最低位）。其它情况比如64位的真机和模拟器，tag存储在MSB（Most Significant Bit 最高位）。

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#if TARGET_OS_OSX && __x86_64__
    // 64-bit Mac - tag bit is LSB
#   define OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS 0
#else
    // Everything else - tag bit is MSB
#   define OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS 1
#endif

#if OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63)
#   define _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT 60
#   define _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT 60
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_LSHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_RSHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_EXT_MASK (0xfUL<<60)
#   define _OBJC_TAG_EXT_INDEX_SHIFT 52
#   define _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT 52
#   define _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_LSHIFT 12
#   define _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_RSHIFT 12
#else
#   define _OBJC_TAG_MASK 1UL
#   define _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT 1
#   define _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT 0
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_LSHIFT 0
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_RSHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_EXT_MASK 0xfUL
#   define _OBJC_TAG_EXT_INDEX_SHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_LSHIFT 0
#   define _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_RSHIFT 12
#endif

接下来是一个枚举定义，定义了默认的使用Tagged Pointer的类。例如NSString、NSNumber、NSIndexPath、NSDate（OBJC_TAG_NSAtom、OBJC_TAG_1、OBJC_TAG_NSManagedObjectID不知道是啥意思，还请知道的同学告诉我）。

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enum objc_tag_index_t : uint16_t
enum
{
    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, 
    OBJC_TAG_RESERVED_7        = 7, 

    OBJC_TAG_First60BitPayload = 0, 
    OBJC_TAG_Last60BitPayload  = 6, 
    OBJC_TAG_First52BitPayload = 8, 
    OBJC_TAG_Last52BitPayload  = 263, 

    OBJC_TAG_RESERVED_264      = 264
};

方法定义

判断是不是Tagged Pointer

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static inline bool
_objc_isTaggedPointer(const void * _Nullable ptr) 
{
    return ((uintptr_t)ptr & _OBJC_TAG_MASK) == _OBJC_TAG_MASK;
}

生成一个Tagged Pointer，最高的4位是tagged，剩下的是数据

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static inline void * _Nonnull
_objc_makeTaggedPointer(objc_tag_index_t tag, uintptr_t value)
{
    if (tag <= OBJC_TAG_Last60BitPayload) {
        return (void *)
            (_OBJC_TAG_MASK | 
             ((uintptr_t)tag << _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT) | 
             ((value << _OBJC_TAG_PAYLOAD_RSHIFT) >> _OBJC_TAG_PAYLOAD_LSHIFT));
    } else {
        return (void *)
            (_OBJC_TAG_EXT_MASK |
             ((uintptr_t)(tag - OBJC_TAG_First52BitPayload) << _OBJC_TAG_EXT_INDEX_SHIFT) |
             ((value << _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_RSHIFT) >> _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_LSHIFT));
    }
}

从Tagged Pointer中取出值

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static inline uintptr_t
_objc_getTaggedPointerValue(const void * _Nullable ptr) 
{
    // assert(_objc_isTaggedPointer(ptr));
    uintptr_t basicTag = ((uintptr_t)ptr >> _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT) & _OBJC_TAG_INDEX_MASK;
    if (basicTag == _OBJC_TAG_INDEX_MASK) {
        return ((uintptr_t)ptr << _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_LSHIFT) >> _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_RSHIFT;
    } else {
        return ((uintptr_t)ptr << _OBJC_TAG_PAYLOAD_LSHIFT) >> _OBJC_TAG_PAYLOAD_RSHIFT;
    }
}

NSNumber应用举例

可以使用下面代码来验证NSNumber如何使用Tagged Pointer

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NSNumber *charNumber = [NSNumber numberWithChar:'1'];
NSNumber *shortNumber = [NSNumber numberWithShort:1];
NSNumber *intNumber = [NSNumber numberWithInt:1];
NSNumber *floatNumber = [NSNumber numberWithFloat:1.0];
NSNumber *longNumber = [NSNumber numberWithLong:1];
NSNumber *doubleNumber = [NSNumber numberWithDouble:1.0];

// 输出变量的指针地址：
// charNumber 0xb000000000000310
// shortNumber 0xb000000000000011
// intNumber 0xb000000000000012
// floatNumber 0xb000000000000014
// longNumber 0xb000000000000013
// doubleNumber 0xb000000000000015

不难发现规律，都是以b(1011)开头

  • 最高位是1，说明这个指针是一个Tagged Pointer
  • 第61-63位是11（十进制是3），也就是OBJC_TAG_NSNumber（查上面的枚举）
  • 第1-4位是NSNumber的类型：比如，char是0、short是1、int是2、float是4
  • 剩下的56位就是真正的值了

NSString应用举例

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NSString *str1 = [NSString stringWithFormat:@"a"];
NSString *str2 = [NSString stringWithFormat:@"ab"];

// 输出变量的指针地址：
// str1: 0xa000000000000611
// str2: 0xa000000000062612

与NSNumber类似

  • 最高位是1，说明这个指针是一个Tagged Pointer
  • 第61-63位是11（十进制是2），也就是OBJC_TAG_NSString
  • 第1-4位是字符串长度
  • 剩下的56位就是真正的值了

更多细节推荐这篇文章采用Tagged Pointer的字符串

参考文章