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1. 簡介

Tagged Pointer是蘋果在64bit設(shè)備提出的一種存儲小對象的技術(shù)，它具有以下特點

Tagged Pointer指針的值不再是地址了，而是真正的值。所以，實際上它不再是一個對象了，它只是一個披著對象皮的普通變量而已。
它的內(nèi)存并不存儲在堆中，也不需要 malloc 和 free，不走引用計數(shù)那一套邏輯，由系統(tǒng)來處理釋放
在內(nèi)存讀取上有著 3 倍的效率，創(chuàng)建時比以前快 106 倍。
可以通過設(shè)置環(huán)境變量OBJC_DISABLE_TAGGED_POINTERS來有開發(fā)者決定是否使用這項技術(shù)

2. 源碼

源碼是基于runtime的obj4-779.1版本

2.1 各種標(biāo)記位

#if (TARGET_OS_OSX || TARGET_OS_IOSMAC) && __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 // 最高有效位
#endif

#define _OBJC_TAG_INDEX_MASK 0x7 // 0b111表示有擴展的標(biāo)記位，擴展標(biāo)記位占8位
// array slot includes the tag bit itself
#define _OBJC_TAG_SLOT_COUNT 16
#define _OBJC_TAG_SLOT_MASK 0xf // 0b1111 taggedpointer + 有擴展標(biāo)記位的mask

#define _OBJC_TAG_EXT_INDEX_MASK 0xff
// array slot has no extra bits
#define _OBJC_TAG_EXT_SLOT_COUNT 256 // 擴展標(biāo)記位能表示的個數(shù)
#define _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK 0xff // 0b1111 1111

#if OBJC_MSB_TAGGED_POINTERS
#   define _OBJC_TAG_MASK (1UL<<63) // 是否是tagged pointer的標(biāo)記位 1表示是 0表示不是
#   define _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT 60 // 基礎(chǔ)tag位的偏移，從2-4bit，結(jié)合_OBJC_TAG_INDEX_MASK來獲取到基礎(chǔ)tag的值
#   define _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT 60
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_LSHIFT 4 // LSHIFT和RSHIFT配合使用用來對數(shù)據(jù)移位混淆及恢復(fù)
#   define _OBJC_TAG_PAYLOAD_RSHIFT 4
#   define _OBJC_TAG_EXT_MASK (0xfUL<<60) // 1111 0000 ... 0000 0000 是否有擴展標(biāo)記位 tag位111表示有擴展標(biāo)記位
#   define _OBJC_TAG_EXT_INDEX_SHIFT 52 // 擴展tag位的偏移，從5-12bit共8位，結(jié)合_OBJC_TAG_EXT_INDEX_MASK來獲取擴展tag的值
#   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

定義了很多位信息，我們需要關(guān)注的幾個：

_OBJC_TAG_MASK ：標(biāo)記位標(biāo)記該指針是否是tagged pointer
_OBJC_TAG_INDEX_MASK ：tag的值是7表示有擴展的tag位
其他的都是一些定義，用來通過位運算來獲取tag的值、ext tag的值的mask以及一些其他的左移右移位

2.2 如何判斷是tagged pointer

我們知道有一個標(biāo)記位來標(biāo)識指針是否是tagged pointer的

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

通過位運算獲取標(biāo)識位的值來確定是否是tagged pointer；需要留意的是不同的架構(gòu)標(biāo)記位不太一樣，有的是用最低位、有的使用最高位。

2.3 系統(tǒng)對tagged pointer的加密

在iOS12系統(tǒng)之前，我們發(fā)現(xiàn)是可以直接打印tagged pointer的值的，可讀性非常好，但是12之后再打印就發(fā)現(xiàn)完全看不懂了。

- (void)testCase {
    NSString *stringWithFormat1 = [NSString stringWithFormat:@"y"];
    [self formatedLogObject:stringWithFormat1];
}

- (void)formatedLogObject:(id)object {
    if (@available(iOS 12.0, *)) {
        NSLog(@"%p %@ %@", object, object, object_getClass(object));
    } else {
        NSLog(@"0x%6lx %@ %@", object, object, object_getClass(object));
    }
}

上面的測試代碼，在12之前輸出：
0x79是ASCII對應(yīng)的y字符的值

0xa000000000000791 y NSTaggedPointerString

iOS12之后輸出：

0xcb47b8d98a2fa15f y NSTaggedPointerString

iOS12之前打印指針的值能很清晰的看到數(shù)據(jù)等信息，iOS12之后系統(tǒng)則打印的完全看不懂了，看了源代碼發(fā)現(xiàn)蘋果是做了混淆，讓我們不能直接得到值，從而避免我們?nèi)ズ苋菀拙蛡卧斐鲆粋€tagged pointer對象

蘋果是如何混淆的了
第一步：位移運算，右左橫移

static inline void * _Nonnull
_objc_makeTaggedPointer(objc_tag_index_t tag, uintptr_t value)
{
    // PAYLOAD_LSHIFT and PAYLOAD_RSHIFT are the payload extraction shifts.
    // They are reversed here for payload insertion.

    // ASSERT(_objc_taggedPointersEnabled());
    if (tag <= OBJC_TAG_Last60BitPayload) {
        // ASSERT(((value << _OBJC_TAG_PAYLOAD_RSHIFT) >> _OBJC_TAG_PAYLOAD_LSHIFT) == value);
        uintptr_t result =
            (_OBJC_TAG_MASK | 
             ((uintptr_t)tag << _OBJC_TAG_INDEX_SHIFT) | 
             ((value << _OBJC_TAG_PAYLOAD_RSHIFT) >> _OBJC_TAG_PAYLOAD_LSHIFT));
        return _objc_encodeTaggedPointer(result);
    } else {
        // ASSERT(tag >= OBJC_TAG_First52BitPayload);
        // ASSERT(tag <= OBJC_TAG_Last52BitPayload);
        // ASSERT(((value << _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_RSHIFT) >> _OBJC_TAG_EXT_PAYLOAD_LSHIFT) == value);
        uintptr_t result =
            (_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));
        return _objc_encodeTaggedPointer(result);
    }
}

第二步，再來一個隨機數(shù)異或運算一下

static inline void * _Nonnull
_objc_encodeTaggedPointer(uintptr_t ptr)
{
    return (void *)(objc_debug_taggedpointer_obfuscator ^ ptr); // objc_debug_taggedpointer_obfuscator 通過異或混淆一下指針的值
}

這個隨機數(shù)是在dyld加載image的時候去隨機產(chǎn)生的，每次程序加載都不一樣

// map_images -- map_images_nolock -- _read_images -- initializeTaggedPointerObfuscator
static void
initializeTaggedPointerObfuscator(void)
{
    // 初始化一個taggedpointer的掩碼，每次_objc_init的時候都生成一個
    if (sdkIsOlderThan(10_14, 12_0, 12_0, 5_0, 3_0) ||
        // Set the obfuscator to zero for apps linked against older SDKs,
        // in case they're relying on the tagged pointer representation.
        DisableTaggedPointerObfuscation) {
        objc_debug_taggedpointer_obfuscator = 0;
    } else {
        // Pull random data into the variable, then shift away all non-payload bits.
        // 隨機一個掩碼，然后再做運算;基本上每次app啟動獲取到的都是不一樣的
        arc4random_buf(&objc_debug_taggedpointer_obfuscator,
                       sizeof(objc_debug_taggedpointer_obfuscator));
        objc_debug_taggedpointer_obfuscator &= ~_OBJC_TAG_MASK;
    }
}

簡直喪心病狂啊，嘗試去hook一下，將這個值拿到或者修改成一個固定的值來好debug，最終沒搞成。

混淆之后怎么解密了
正常就是按照上面的混淆的方式，反向操作一波
第一步，異或那個固定的隨機數(shù)，得到值

static inline uintptr_t
_objc_decodeTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
    return (uintptr_t)ptr ^ objc_debug_taggedpointer_obfuscator; // 再次異或就得到了原始的值
}

這里舉個例子，就一目了然了；可以看到encode的時候異或一次，在decode的時候再異或一次就得到原始值了。

// 假設(shè) objc_debug_taggedpointer_obfuscator位 0010、原始數(shù)據(jù)是1001
encode：1001 ^ 0010 = 1011
decode：1011 ^ 0010 = 1001

第二步，再左右橫移回去

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

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

2.4 Tagged Pointer對象

系統(tǒng)通過3bit的標(biāo)記位來標(biāo)識tagged pointer對象的類，它的定義在objc_tag_index_t中
比如2表示是NSString、6表示是NSDate，我們知道3bit能表示的最大值是7，這個7系統(tǒng)用來預(yù)留，用來標(biāo)記是否有額外的標(biāo)記位，這樣就能支持更多的類支持tagged pointer

#if __has_feature(objc_fixed_enum)  ||  __cplusplus >= 201103L
enum objc_tag_index_t : uint16_t
#else
typedef uint16_t objc_tag_index_t;
enum
#endif
{
    // 60-bit payloads
    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,

    // 60-bit reserved
    OBJC_TAG_RESERVED_7        = 7, 

    // 52-bit payloads
    OBJC_TAG_Photos_1          = 8,
    OBJC_TAG_Photos_2          = 9,
    OBJC_TAG_Photos_3          = 10,
    OBJC_TAG_Photos_4          = 11,
    OBJC_TAG_XPC_1             = 12,
    OBJC_TAG_XPC_2             = 13,
    OBJC_TAG_XPC_3             = 14,
    OBJC_TAG_XPC_4             = 15,
    OBJC_TAG_NSColor           = 16,
    OBJC_TAG_UIColor           = 17,
    OBJC_TAG_CGColor           = 18,
    OBJC_TAG_NSIndexSet        = 19,

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

    OBJC_TAG_RESERVED_264      = 264
};
#if __has_feature(objc_fixed_enum)  &&  !defined(__cplusplus)
typedef enum objc_tag_index_t objc_tag_index_t;
#endif

3. 延伸

3.1 字符串編碼

看博客發(fā)現(xiàn)很多都說字符在長度超過10的時候就不再是NSTaggedPointerString了，其實這種說法是不準(zhǔn)確的；

TaggedPointer用來表示值的位數(shù)payload是固定的，但是采用不同的字符編碼格式就能表示的位數(shù)也就不一樣了;

下面的測試?yán)樱?1位的字符串它也是TaggedPointer

NSString *test2 = [NSString stringWithFormat:@"%@", @"11111111111"];
    NSLog(@"%p value:0x%lx %@ %@", test2, _objc_getTaggedPointerValue((__bridge const void *)test2), test2, object_getClass(test2));

輸出結(jié)果：

0xfa976f93575a8e75 value:0x7bdef7bdef7bdeb 11111111111 NSTaggedPointerString

關(guān)于字符串的編碼這一塊，還是挺復(fù)雜的，感興趣的可以參照這篇博客學(xué)習(xí)一下系統(tǒng)是如何在創(chuàng)建一個字符串的時候去編碼的
Tagged Pointer Strings by Mike Ash

Thus we can see that the structure of the tagged pointer strings is:
If the length is between 0 and 7, store the string as raw eight-bit characters.
If the length is 8 or 9, store the string in a six-bit encoding, using the alphabet "eilotrm.apdnsIc ufkMShjTRxgC4013bDNvwyUL2O856P-B79AFKEWV_zGJ/HYX".
If the length is 10 or 11, store the string in a five-bit encoding, using the alphabet "eilotrm.apdnsIc ufkMShjTRxgC4013"
摘自Tagged Pointer Strings by Mike Ash

3.2 iOS14對tagged pointer的優(yōu)化

在intel中tagged pointer指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

圖片.png

通過最低位來標(biāo)記是否是tagged pointer
3位tag來標(biāo)記數(shù)據(jù)的class
擴展的8位來表示更多的類型的tagged pointer

在arm中tagged pointer指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
iOS13系統(tǒng)：

圖片.png

為什么要做這樣的改變了？

圖片.png

主要是針對objc_msgSend的調(diào)用的優(yōu)化，在intel的結(jié)構(gòu)下，判斷tagged pointer和nil需要分2個分支去判斷；而如果將最高位設(shè)置位1了，那么只需要做一次判斷就可以判斷對象是否是正常指針了。
if (ptrValue <= 0) // is tagged or nil其他情況就是正常的指針

iOS14:
iOS14跟iOS13的區(qū)別則將tag放在了最后三位；tagged pointer的標(biāo)記位還是保持在最高位

圖片.png

為什么要這樣做了？

蘋果的解釋是：

ARM有個特性就是dyld會忽略指針的前8bit(這是由于ARM的Top Byte Ignore特性)；
這樣布局數(shù)據(jù)之后，圖中的payload就跟普通指針的payload是一毛一樣了，也就是tagged pointer的payload(有效負載位)有包含一個正常的指針的能力；
這使得tagged pointer具備了引用二進制文件中的常量數(shù)據(jù)的能力，例如字符串或其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這減少了dirty memory的使用

看到這里我只能說蘋果牛逼666

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OC-內(nèi)存管理Tagged Pointer

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1. 簡介

2. 源碼

2.1 各種標(biāo)記位

2.2 如何判斷是tagged pointer

2.3 系統(tǒng)對tagged pointer的加密

2.4 Tagged Pointer對象

3. 延伸

3.1 字符串編碼

3.2 iOS14對tagged pointer的優(yōu)化

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2. 源碼

2.1 各種標(biāo)記位

2.2 如何判斷是tagged pointer

2.3 系統(tǒng)對tagged pointer的加密

2.4 Tagged Pointer對象

3. 延伸

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3.2 iOS14對tagged pointer的優(yōu)化

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