内存管理的基本需求是什么（OC的内存管理方案）

引言

果设备备受欢迎的背后离不开iOS优秀的内存管理，不同场景，系统提供了不同的内存管理方案来节省内存和提高执行效率，大致有如下三种：

TaggedPointer （对于一些小对象，比如说NSNumber,NSString等）
NONPOINTER_ISA （不仅仅是指针）
散列表SideTables

内存管理的基本需求是什么（OC的内存管理方案）(1)

TaggedPointer

为了节省内存和提高执行效率，苹果提出了Tagged Pointer的概念。对于 64 位程序，引入 Tagged Pointer 后，相关逻辑能减少一半的内存占用，苹果对于Tagged Pointer特点的介绍：

Tagged Pointer专门用来存储小的对象，例如NSNumber和NSDate
Tagged Pointer指针的值不再是地址了，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 malloc 和 free。
在内存读取上有着 3 倍的效率，创建时比以前快 106 倍。

为什么会出现TaggedPointer

假设我们要存储一个 NSNumber 对象，其值是一个整数。正常情况下，如果这个整数只是一个 NSInteger 的普通变量，那么它所占用的内存是与 CPU 的位数有关，在 32 位 CPU 下占 4 个字节，在 64 位 CPU 下是占 8 个字节的。而指针类型的大小通常也是与 CPU 位数相关，一个指针所占用的内存在 32 位 CPU 下为 4 个字节，在 64 位 CPU 下也是 8 个字节。

所以一个普通的 iOS 程序，如果没有Tagged Pointer对象，从 32 位机器迁移到 64 位机器中后，虽然逻辑没有任何变化，但这种 NSNumber、NSDate 一类的对象所占用的内存会翻倍。如下图所示：

内存管理的基本需求是什么（OC的内存管理方案）(2)

为了存储和访问一个 NSNumber 对象，我们需要在堆上为其分配内存，另外还要维护它的引用计数，管理它的生命期。这些都给程序增加了额外的逻辑，造成运行效率上的损失，所以需要一种解决方案（TaggedPointer）来节省内存和提高执行效率。

TaggedPointer的原理

为了改进上面提到的内存占用和效率问题，苹果提出了Tagged Pointer对象。由于 NSNumber、NSDate 一类的变量本身的值需要占用的内存大小常常不需要 8 个字节，拿整数来说，4 个字节所能表示的有符号整数就可以达到 20 多亿（注：2^31=2147483648，另外 1 位作为符号位)，对于绝大多数情况都是可以处理的。

所以我们可以将一个对象的指针拆成两部分，一部分直接保存数据，另一部分作为特殊标记，表示这是一个特别的指针，不指向任何一个地址。所以，引入了Tagged Pointer对象之后，64 位 CPU 下 NSNumber 的内存图变成了以下这样：

内存管理的基本需求是什么（OC的内存管理方案）(3)

方案对比：当NSNumber、NSDate、NSString存值很小的情况下

在没有使用TaggedPointer之前：NSNumber等对象需要动态分配内存、维护引用计数等，NSNumber指针存储的是堆中NSNumber对象的地址值（需要创建OC对象）
使用TaggedPointer之后：NSNumber指针里面存储的数据变成了：Tag Data，也就是将数据直接存储在了指针中（不需要创建OC对象）
当存值很大，指针不够存储数据时（超过64位），才会使用动态分配内存的方式来存储数据（创建OC对象）
消息调用时，objc_msgSend 能识别TaggedPointer，比如NSNumber的intValue方法，直接从指针提取数据，节省了以前的调用开销（而且这不是真的OC对象，根本就没有isa去找方法）

demo

int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { NSNumber *num1 = @3; NSNumber *num2 = @4; NSNumber *num3 = @5; // 数值太大，64位不够放，得alloc生成个对象来保存 NSNumber *num4 = @(0xFFFFFFFFFFFFFFFF); // 小数值的NSNumber对象，并不是alloc出来放在堆中的对象，只是一个单纯的指针，目标值是存放在指针的地址值中 NSLog(@"%p %p %p %p", num1, num2, num3, num4); } } // 打印日志 2020-03-23 16:10:30.888204 0800 04-内存管理-Tagged Pointer[6079:225288] 0x2027be5cc632c957 0x2027be5cc632ce57 0x2027be5cc632cf57 0x100512050

说明：猜测是iOS13之后底层多加了一层掩码，以前输出num1, num2, num3地址是0x327 0x427 0x527 ，直接可以从地址里面看到NSNumber的值

如何判定是否是TaggedPointer

判定规则：将某个对象和1进行位运算

iOS平台的判定位为最高有效位（第64位）
Mac平台的判定位为最低有效位（第1位）

判定为是【1】就是TaggedPointer，否则这就是分配到堆中的OC对象的内存地址（OC对象在内存中以16对齐，因此有效位肯定是0，16 = 0x10 = 0b00010000）。

BOOL isTaggedPointer(id pointer) { return (long)(__bridge void *)pointer & (long)1; // Mac平台是最低有效位（第1位） } int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { NSNumber *num3 = @5; NSNumber *num4 = @(0xFFFFFFFFFFFFFFFF); NSLog(@"%d %d ", isTaggedPointer(num3), isTaggedPointer(num4)); } } // 打印日志 2020-03-23 16:10:30.888286 0800 04-内存管理-Tagged Pointer[6079:225288] 1 0

优点

TaggedPointer技术的好处：

存值：直接把值存到指针中，不需要再新建一个OC对象来保存（额外多分配至少16个字节）--- 省内存
取值：直接从指针中把目标值抽取出来，不需要像OC对象那样，先从类对象的方法列表中查找再调用来获取那么麻烦 --- 性能好、效率高

NONPOINTER_ISA

在arm64位下iOS操作系统，Objective-C对象的isa区域不再只是一个指针，在64位架构下的isa指针是64bit位，实际上33位就能够表示类对象（或元类对象）的地址，为了提供内存的利用率，在剩余的bit位当中添加了内存管理的数据内容

isa结构

arm64架构之前，isa是一个普通的指针，存储着Class、MetaClass对象的地址
从arm64架构之后，苹果对isa进行了优化，变成了一个公用体

# 只看arm64情况下 union isa_t { Class cls; uintptr_t bits; struct { 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 }; };