附录-OC源码-Runtime：Tagged pointer 与 isa

Tagged pointer 与普通的指针不同在于其不再是指针, 而是用一部分空间(bit)存需要的数据, 另一部分存放了一些描述指针的信息

类比于解析网络协议, 蓝牙协议, usb 协议等等的一堆 16 进制的协议比如下面这种:
0xFF, 0x5A, 0x00, 0x08, 0x33, 0x00, 0x01, 0x21
这里共 8 个字节, 通常每个字节都有自己的含义, 比如 0~1 是包头, 2~3 是 checksum, 4~ 是 payload

Tagged pointer 和这个类似, 一个指针假设长度 8 个字节 64 位
以前是 32 位都用来存指针地址, 现在有 64 位, 变成给这 64 位每个部分分配不同的含义,一部分用来存指针
以 isa 举例:

中间固定一段(x86 是 44, arm64是 33(4~38))是存储的地址
剩余的 bit 描述 weakly_referenced,deallocating,extra_rc这些弱引用,引用计数等信息

为什么会有 Tagged Pointer

存储空间上:

32 位系统下的常用基本类型, NSInteger 4 个字节, 指针 4 个字节.
64 位系统下的常用基本类型, NSInteger 8 个字节, 指针 8 个字节.
运算上是一样的, 但是对于内存占用来说, 直接翻倍.

运算效率上: 另一方面, 我们创建一个对象, 其还有引用计数等信息需要存储, 而为了存储这些信息,需要额外开辟内存空间.
这增加了额外的运算逻辑, 而如果我们不另外开辟空间,就可以省去这些计算.

所以苹果提出了: Tagged Pointer, 并广泛应用与 OC 中(比如 isa, 比如 NSNumber)
大部分的变量, 本身用不到 64 位的空间, 所以很多时候, 存储对象的指针本身,会被拆成两个部分

一部分存储数据本身
另一部分存储数据的一些标记

另外, 在新版本中, 以前直接存放值的Tagged Pointer的比如NSNumber不再能直接读出来
这是因为新版的 Tagged Pointer 被做了混淆

Tagged Pointer 一些特性

因为不是指针, 不再存放于堆中, 而是与基本数据类型存放一致
可用于直接存放小于 64 位的数据(NSNumber, NSDate等)
内存读取效率及创建效率都更高
数据由 信息 + 信息修饰 组成

isa 是怎么存储的

源码部分

直接看源码:
objc-private.h
(结合其他: 探究源码中的宏找到对应的宏)

// 限 64 位, 32 位中是 int  
typedef unsigned long           uintptr_t;  
  
union isa_t {  
    isa_t() { }  
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }  
  
    Class cls;  
    uintptr_t bits;  
#if defined(ISA_BITFIELD)  
    struct {  
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h  
    };  
#endif  
};  

union: 关键字直接理解就是, isa_t 的值为下面的其中之一(这是块独立的内存, 只能是{}类含义之一)
- 要么是 Class(struct objc_class *)指针
- 要么是 uintptr_t (unsigned long)
struct { ISA_BITFIELD}: 不实际产生作用, 可理解为对 bits的注释

下面来看ISA_BITFIELD 是如何定义的:
isa.h

# if __arm64__  
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL  
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL  
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL  
#   define ISA_BITFIELD                                                      \  
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                       \  
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                       \  
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                       \  
      uintptr_t shiftcls          : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \  
      uintptr_t magic             : 6;                                       \  
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       \  
      uintptr_t deallocating      : 1;                                       \  
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \  
      uintptr_t extra_rc          : 19  
  

可以看得出来, 这里指定了每一位的含义, 大部分的长度只有 1bit
各字段含义:

nonpointer: 0 代表普通指针，存储着class、meta-class对象的内存地址；1，代表优化过，使用位域存储更多信息
has_assoc: 是否设置过关联对象，如果没有，施放时会速度更快
has_cxx_dtor: 是否有C++的稀构函数，如果没有，施放时会更快
shiftcls: 这个部分存储的是真正的Class/Meta-Class对象的内存地址，通过 isa & ISA_MASK 能取出这里33位的值，得到对象的真正地址。
magic: 用于在调试的时候分辨对象是否完成了初始化 weekly_referenced—— 是否被弱饮用指针指向过，如果没有，释放时会更快
extra_rc: 里面存储的值是引用计数 - 1
deallocating: 对象是否正在被释放
has_sidtable_rc: 引用计数器是否过大无法存储在isa中，若果是，这里就为1，引用计数就会被存储在一个叫SideTable的类的属性中

结论部分

所以 isa 是一个用一部分 bit 存储了指向的内存地址, 另一部分, 存了很多当前”对象”、”类”、”元类”描述信息的东西
如果要取出 isa 中存放的地址, 可以直接使用 isa & ISA_MASK 操作

最后, 对 isa 存储的实际探究和实现, 我写在这其他:探究 isa 的指向

参考文章:
深入理解Tagged Pointer-InfoQ
iOS 底层 - isa 的前世今生

#猿人/猿艺/iOS/基石/runtime/正文

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