NSNumber对象缓存以及Tagged Pointer

字数统计: 1.2k阅读时长: 4 min

 2014/03/21 

这是一次和 @onevcat 的技术讨论总结。技术点比较散，但是还都比较有意思。涉及的技术细节包括：

系统对象的缓存
Tagged Pointer对象

讨论一：autorelase对象

按照苹果的编程约定，由非alloc,copy返回的对象都是autorelease的，所以对于以下代码，虽然变量number是__weak的，但是由于[NSNumber numberWithInt:100]返回的对象是autorelase的，所以仍然能通过NSLog打印出来。

__weak NSNumber *number = [NSNumber numberWithInt:100];
NSLog(@"number = %@", number);

从汇编代码中看，以上代码在创建number变量时，是通过objc_loadWeak方法进行的。而根据 Clang的官方文档，objc_loadWeak方法会retain并autorelease这个对象。所以给一个weak对象赋值，它并不会马上释放，而是会放到autorelease pool中，与autorelease pool一起释放。

如下是objc_loadWeak的代码示例：

id objc_loadWeak(id *object) {
  return objc_autorelease(objc_loadWeakRetained(object));
}

为了验证这个回答，我们又做了一个有趣的例子来验证，如下所示：

__weak NSNumber *number;
@autoreleasepool {
	number = [NSNumber numberWithInt:100];
}
NSLog(@"number = %@", number);

在上面这个例子中，果然如我们所料，number在通过NSLog查看值时，变成了nil。

讨论二：关于NSNumber对象的缓存

我们在做以上实验时，发现一个有趣的现象，如果你把100变成了10，则number变成在NSLog时，就能够输出值来，不再是nil了。如下是测试代码：

__weak NSNumber *number;
@autoreleasepool {
	number = [NSNumber numberWithInt:10];
}
NSLog(@"number = %@", number);

经过 onevcat 的实验，从-1 ～ 12都是可以输出的，而其它值却会变成nil。于是我们猜测是系统对这些常见值的对象做了缓存，于是我们写了如下代码来验证。

结果果然是这样，多次创建值为10的NSNumber对象，其地址都是一样的。而多次创建值为100的NSNumber对象，每次创建获得的对象地址都是不一样的。

NSNumber *number = [NSNumber numberWithInt:10];
NSNumber *another = [NSNumber numberWithInt:10];
NSLog(@"%p %p", number, another);

number = [NSNumber numberWithInt:100];
another = [NSNumber numberWithInt:100];
NSLog(@"%p %p", number, another);

讨论三：64位系统与Tagged Pointer对象

讨论本来已经结束了，结果我在写这篇博客的时候，手贱又测试了一下，发现在64位的模拟器下，无论创建多少次，也无论int的值是多少，所有相同int值的NSNumber对象地址都是一样的！

疑惑了几分钟，我突然想起WWDC中介绍的64位系统引放的Tagged Pointer，恍然大悟。

在WWDC2013的《Session 404 Advanced in Objective-C》视频中，苹果介绍了Tagged Pointer。Tagged Pointer的存在主要是为了节省内存。我们知道，对象的指针大小一般是与机器字长有关，在32位系统中，一个指针的大小是32位（4字节），而在64位系统中，一个指针的大小将是64位（8字节）。

在64位系统中，如果我们真正使用一个指针来存储NSNumber实例，那么我们首先需要一个8字节的指针，另外需要一块内存存储NSNumber实例，这通常又是8字节。这样的内存开销是比较大的。苹果对于NSNumber和NSDate对象，改成了用Tagged Pointer来存储，简单来说，Tagged Pointer是一个假的指针，它的值不再是另一个地址，而就是对应变量的值。

Tagged Pointer主要有以下3个特点：

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（以前是寻址->发消息->获取值，现在直接获取值），创建时比以前快106倍。

相关英文文档截图如下：

但Tagged Pointer的引入也带来了问题，即Tagged Pointer因为并不是真正的对象，而是一个伪对象，所以你如果完全把它当成对象来使，可能会让它露马脚。比如我在《Objective-C对象模型及应用》一文中就写道，所有对象都有 isa 指针，而Tagged Pointer其实是没有的，因为它不是真正的对象。

因为不是真正的对象，所以如果你直接访问Tagged Pointer的isa成员的话，在编译时将会有如下警告：