😐 🍮 🔦 タグ付きポインター、またはオブジェクトを1つのインターに合わせる方法 🙅🏼 👵🏿 👩🏽‍💻

Objective-Cアプリケーションを作成したことがある場合は、数値をオブジェクトに変換するラッパーであるNSNumberクラスに精通している必要があります。古典的な使用例は、 [NSNumber numberWithInt：someIntValue];の形式のオブジェクトで満たされた数値配列を作成することです。 。

なぜオブジェクト全体を作成し、メモリを割り当て、通常の小さな整数が必要な場合はそれをきれいにするのでしょうか？アップルもそう考えました。なぜなら、NSNumberはオブジェクトではないことが多く、そのポインターの後ろには隠されているからです...空虚です。

それがどうなるか、そしてマークされたポインターがそれとどう関係するかに興味があるなら、catへようこそ！

少しのポインター調整理論

ポインタは通常のintであり、システムがメモリ内のアドレスを取得することは誰もが知っています。オブジェクトへのポインターを含む変数は、0x7f84a41000c0という形式の値を持つintです。「ポインティング」の本質は、プログラムでの使用方法にあります。 Cでは、単純なキャストによってポインターのint値を取得できます。

void *somePointer = ...; uintptr_t pointerIntegerValue = (uintptr_t)somePointer;

（ uintptr_tは、整数を保持するのに十分な大きさの整数の標準配列typdefです。これは、プラットフォームによってポインターのサイズが異なるため必要です）

ほとんどすべてのコンピュータアーキテクチャには、ポインタの整列などがあります 。つまり、データ型へのポインタは2のべき乗の倍数でなければならないということです。たとえば、4バイトのintへのポインターは4の倍数でなければなりません。ポインターの位置合わせによって課せられる制限に違反すると、パフォーマンスが大幅に低下したり、アプリケーションが完全に低下したりする可能性があります。メモリへのアトミックな読み取りと書き込みにも正しいアライメントが必要です。要するに、ポインターを整列させることは重大なことであり、それを壊そうとするべきではありません。

変数を作成すると、コンパイラはアライメントをチェックできます。

  void f(void) { int x; }

ただし、動的に割り当てられたメモリでは物事はそれほど単純ではありません。

  int *ptr = malloc(sizeof(*ptr));

Mallocは、データのタイプが何であるかを知りません。4バイトを割り当てるだけで、それがintであるか、2つのshort a、4 char a、または何か他のものではありません。

したがって、適切な配置を維持するために、彼は非常に偏執的なアプローチを使用し、この境界があらゆるタイプのデータに完全に適合するように配置されたポインターを返します。 Mac OS Xでは、 mallocは常に16バイト境界に位置合わせされたポインターを返します。

アライメントのため、未使用のビットはポインターに残ります。 16バイトにアライメントされた16進ポインターは次のようになります。

  0x-------0

16進数の最後の桁は常にゼロです。一般に、これらの条件に適合しない完全に有効なポインター（たとえば、char *）がある場合がありますが、オブジェクトへのポインターは常にゼロビットで終了する必要があります。

ラベル付きポインターの少しの理論

ポインターの最後にある空のビットについて知っていれば、さらに進んで、それらのアプリケーションを見つけることができます。これがオブジェクトへの実際のポインタではないことを示す指標として使用しないのはなぜですか？次に、高価なメモリを割り当てることなく、ここにポインタ自体にデータを保存できますか？はい、はい、これらは同じマークされたポインターです。

ラベル付きポインターを使用するシステムは、追加のチェックを実行します-最下位ビットを調べ、ゼロの場合、実際のオブジェクトがあります。これがユニットである場合、これはオブジェクトではなく、何か他のものであり、ポインターからの情報は非標準的な方法で抽出する必要があります。通常、データ型は下位ビットの直後に保存され、その後にデータ自体が続きます。

有効なバイナリオブジェクトは次のようになります。

 ....0000 ^

そして、これはマークされたポインターです：

 ....xxx1 ^

これらはすべてさまざまな方法で実装できますが、Objective-Cでは、ラベル付きポインターの最下位ビットは常に1であり、次の3つはポインタークラスを示します。

ラベル付きポインターの使用

タグ付きポインターは、すべてがオブジェクトである言語でよく使用されます。 3がオブジェクトであり、3 + 4に2つのオブジェクトが含まれる場合の一貫性、および3番目のオブジェクトを作成する場合でも、オブジェクトにメモリを割り当て、そこからデータを抽出すると、全体的なパフォーマンスで重要な役割を果たし始めます。これはすべて、オブジェクトの作成、遅いメモリへのアクセス、誰も使用しないオブジェクトへの値の入力に悩まされ、追加のコストよりも数倍高くなります。

ラベル付きポインターを使用すると、これらの同じ空のビットに収まるすべてのタイプのこれらの逆境から解放されます。小さなintは、この役割の理想的な候補です。スペースをほとんど占有せず、あらゆる場所で使用されます。

これは普通のトリオがどのように見えるかです：

 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011

そして、ここにマークされたポインターに隠された3つがあります。

  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011 1011 ^ ^ ^   | | |    (5) |

ここでは、5を使用してintを示すことを提案しましたが、実際には、これはシステムの裁量に留まり、すべてがいつでも変更できます。

観察者はおそらく、32ビットシステムには28ビットしか残っておらず、64ビットシステムには60ビットしか残っていないことにすでに気付いているでしょう。また、整数は大きな値を取ることができます。そうです、すべてのintをラベル付きポインターで非表示にできるわけではありません。一部のユーザーは本格的なオブジェクトを作成する必要があります。

すべてが1つのポインタに収まる場合、個別のメモリを割り当てる必要はありません。クリアします。また、別のオブジェクトに割り当てる必要のあるメモリを少し節約するだけです。 3つと4つを追加する場合、これは取るに足らないように思えるかもしれませんが、数値に対する操作が多数ある場合、この増加は非常に顕著です。

ポインター内のデータ型を示すビットの存在により、intだけでなく、浮動小数点数、さらにはいくつかのASCII文字（64ビットシステムの場合は8）を格納することができます。 1つの要素へのポインターを持つ配列でさえ、ラベル付きポインターに収まります！一般に、十分に小さく、広く使用されているデータ型は、タグ付きポインター内で使用するための優れた候補です。

さて、かなり理論、練習に移りましょう！

NSNumberのカスタム実装であるMANumberを基にして、ラベル付きポインターのサポートを追加します。

ラベル付きポインターは非常にプライベートなAPIであり、実際のプロジェクトで使用することすら考えられないことに注意してください。オブジェクトのクラスを決定するために割り当てられるのは3ビットだけです。合計で、同時に関与できるクラスは8つだけです。誤ってAppleが使用するクラスと交差する場合-それがすべて、トラブルです。また、この情報は絶対にいつでも変化する可能性があるため、いつでも災害が発生する可能性は100％に相当します。

ただし、それらを安全に使用する機会がなくても、私たちが彼らと遊ぶことを妨げるものは何もありません。

さあ、始めましょう。 private _objc_insert_tagged_isa関数を使用すると、特定のクラスを特定のタグに固定できます。彼女のプロトタイプは次のとおりです。

  void _objc_insert_tagged_isa(unsigned char slotNumber, Class isa);

スロット番号（タグ）と必要なクラスをそれに渡し、実行時に将来使用するために特定のテーブルにそれらを配置します。

ラベル付きポインターのほとんどすべてのクラスには、値がポインターに収まらない場合に通常のオブジェクトを作成するツインクラスが必要です。 NSNumberの場合、これらは特に大きなintとdoubleになりますが、ポインターに詰め込むのは非常に困難であり、ここでは行いません。

これには2つのアプローチがあります。 1つは、両方の子孫で繰り返されるコードの共通の祖先を使用して、2つの完全に異なるクラスを作成することです。 2つ目は、1つのクラスのフレームワークで、保存する必要がある値に応じて異なるコードを使用することです。 2番目のアプローチを使用するので、この特定のケースでは簡単に思えました。

変数の値を保存するために、 unionを使用しました：

  union Value { long long i; unsigned long long u; double d; };

以下は、ラベル付きポインターの情報を定義するいくつかの定数です。最初-スロット番号、私はそれを1に等しくしました：

  const int kSlot = 1;

また、ラベル付きポインターの数を決定することも決定しました。これは、値をさらに抽出するために必要です。

  const int kTagBits = 4;

値自体に加えて、MANumberはその型を格納し、その操作方法を示します。すべてを最大に圧縮する必要があるため、可能な型は3つしかないため、このために2ビットを選択しました。

  const int kTypeBits = 2;

ダブルサポートは実装しませんでしたが、通常のMANumberとの均一性を維持し、将来のダブルサポートの可能性を高めるために、まだその場所を残しました。

最後に、格納する整数のタイプは長いので、必要なビット数を確実に把握しておくと便利です。

  const int kLongLongBits = sizeof(long long) * CHAR_BIT;

ここでは、ポインターのタイプが長いと仮定します。32ビットシステムをサポートしようとしませんでした。

便宜上、ヘルパー関数をいくつか作成しました。最初は、データ型と値を入力として、ラベル付きMANumberを作成します。

  static id TaggedPointer(unsigned long long value, unsigned type) {

マークされたポインターの構造を思い出させてください。最下位ビットは常に1です。その後にオブジェクトのクラスを示す3ビットが続き、オブジェクトのデータのみが続きます。私たちの場合、これらはタイプを決定する2ビットであり、その後に値自体があります。以下は、ビットごとの操作を使用して、このすべての情報を組み合わせて記録する行です。

  id ptr = (__bridge id)(void *)((value << (kTagBits + kTypeBits)) | (type << kTagBits) | (kSlot << 1) | 1);

奇妙なダブルキャスティングについては-私はARCを使用しており、彼はこの問題に関して非常に選択的です。したがって、オブジェクトへのポインターをオブジェクトへのポインターに変換する場合は、__ bridgeが必要であり、intでもポインターを変換できません。そのため、最初にvoid *に変換し、次にこれらすべてをオブジェクトに変換します。

それだけです。今、新しく作成したポインターを返します。

  return ptr; }

また、ポインターがマークされているかどうかをチェックする関数を作成しました。彼女が行うことは、下位ビットをチェックすることだけですが、愚かなダブルキャストのために、彼女は別の関数に入れなければなりませんでした。

  static BOOL IsTaggedPointer(id pointer) { uintptr_t value = (uintptr_t)(__bridge void *)pointer; return value & 1; }

そして最後に、ラベル付きポインターからすべての情報を抽出する関数。 Cは一度に複数の値を返すことをサポートしていないため、このための特別な構造を作成しました。型と値自体が含まれています

  struct TaggedPointerComponents { unsigned long long value; unsigned type; };

この関数は、最初に、非常に型変換を使用して、逆方向にのみポインターをintに変換します。

  static struct TaggedPointerComponents ReadTaggedPointer(id pointer) { uintptr_t value = (uintptr_t)(__bridge void *)pointer;

次に、必要な情報の抽出を開始します。最初の4ビットは無視でき、値は単純なシフトによって抽出されます。

  struct TaggedPointerComponents components = { value >> (kTagBits + kTypeBits),

タイプを取得するには、シフトするだけでなく、マスクも適用する必要があります

  (value >> kTagBits) & ((1ULL << kTypeBits) - 1) };

その結果、すべてのコンポーネントが受信され、単純に構造体の形で返されます。

  return components; }

ある時点で、 _objc_insert_tagged_isa関数を呼び出して、ラベル付きポインターで実行されるクラスであることをランタイムに通知する必要があります。これに最適なのは+初期化です。セキュリティ上の理由から、Objective-Cランタイムはスロットの書き換えを好まないため、最初にnilを書き込む必要があり、次に新しいクラスのみを記述する必要があります。

  + (void)initialize { if(self == [MANumber class]) { _objc_insert_tagged_isa(kSlot, nil); _objc_insert_tagged_isa(kSlot, self); } }

これで、ラベル付きポインターを作成するプロセスに進むことができます。 + numberWithLongLong：と+ numberWithUnsignedLongLong：の 2つのメソッドを作成しました。 これらのメソッドは、ラベル付きポインターにオブジェクトを作成しようとします。値が大きすぎる場合は、通常のオブジェクトを作成するだけです。

これらのメソッドは、特定の値セットに対してのみラベル付きポインターを作成できます。これらは、kLongLongBits、kTagBits、kTypeBits、または64ビットシステムの58ビットに収まる必要があります。符号、合計、最大long long値は57分の2、最小値は-57を示すために1ビットが必要です。

  + (id)numberWithLongLong: (long long)value { long long taggedMax = (1ULL << (kLongLongBits - kTagBits - kTypeBits - 1)) - 1; long long taggedMin = -taggedMax - 1;

最もシンプルなままです。値が範囲外の場合、alloc / initを使用して通常のダンスを実行します。それ以外の場合は、指定された値とクラスINTを使用してラベル付きポインターを作成します。

  if(value > taggedMax || value < taggedMin) return [[self alloc] initWithLongLong: value]; else return TaggedPointer(value, INT); }

符号なしlong longの場合、不必要な符号ビットによる値セットの増加を除いて、すべてが同じです。

  + (id)numberWithUnsignedLongLong:(unsigned long long)value { unsigned long long taggedMax = (1ULL << (kLongLongBits - kTagBits - kTypeBits)) - 1; if(value > taggedMax) return [[self alloc] initWithUnsignedLongLong: value]; else return (id)TaggedPointer(value, UINT); }

ここで、ビットやマスクなどを気にせずに[self type]を呼び出すことができるように、ポインター用の型アクセサーが必要です。彼がすることは、IsTaggedPointer関数でポインターをチェックすることだけです。ラベルが付いている場合は、ReadTaggedPointerを呼び出します。ポインターが正常な場合は、_typeを返すだけです。

  - (int)type { if(IsTaggedPointer(self)) return ReadTaggedPointer(self).type; else return _type; }

意味のアクセサーは、記号の難しさのために、やや複雑になります。まず、これが通常のポインターかどうかを確認しましょう。

  - (union Value)value { if(!IsTaggedPointer(self)) { return _value; }

ラベル付きのものについては、まずReadTaggedPointerを使用して値を読み取る必要があります。出力では、unsigned long longがあるため、値に実際に符号がある場合は少し作業する必要があります。

  else { unsigned long long value = ReadTaggedPointer(self).value;

戻り値のunion Value型のローカル変数を作成します。

  union Value v;

符号なしの場合、すべてが単純です-値をvに入れれば、それだけです：

  int type = [self type]; if(type == UINT) { vu = value; }

署名付きでは、すべてがそれほど単純ではありません。まず、符号ビットを確認します-ビット番号57に隠されています：

  else if(type == INT) { unsigned long long signBit = (1ULL << (kLongLongBits - kTagBits - kTypeBits - 1));

ビットが1に等しい場合、57ビットに続くすべてのビットに単位を入力する必要があります。これは、指定されたlong longが有効な64ビットの負数になるように必要です。この手順は符号拡張と呼ばれ、要するにその本質は次のとおりです。負の数は1で始まり、最初のゼロは最初の重要なビットです。したがって、負の数を展開するには、単にユニットを左に追加します。

  if(value & signBit) { unsigned long long mask = (((1ULL << kTagBits + kTypeBits) - 1) << (kLongLongBits - kTagBits - kTypeBits)); value |= mask; }

正の数で何もする必要はありません-それらはすでに左側がゼロで満たされています。したがって、vを入力するだけです。

  vi = value; }

他のタイプを取得した場合、問題が発生するため、破棄する必要があります。

  else abort();

その結果、vを返します。

  return v; } }

このコードをすべて作成したら、通常どおり新しいMANumberを操作する機会が得られます。唯一の違いは、値に直接アクセスするのではなく、アクセサーメソッドを介してアクセスする必要があることです。さらに、ラベル付きおよび通常のMANumberをcompare：およびisEqual：と比較 できます。

結論

ラベル付きポインターは、CocoaおよびObjective-Cランタイムへの優れた追加機能であり、NSNumberを使用する際の作業速度を大幅に向上させ、メモリコストを削減できます。

NSNumberの内部デバイスに光を当てるラベル付きポインターで動作する独自のクラスを作成できますが、空きスロットの数が非常に限られているため、実際のコードで使用する方法はありません。これは純粋にCocoaの特権であり、その作業を大幅に加速します。

まあ、それは完全に実行され、そのような素晴らしいメカニズムが単純なNSNumberの中に隠されていることを喜ぶことができるだけです。

（マイクアッシュからの新しい金曜日のQ＆Aの無料翻訳）

更新：

約束されたように、ラベル付きポインターの実際の使用は間もなく開始されました。

タグ付きポインター、またはオブジェクトを1つのインターに合わせる方法

少しのポインター調整理論

ラベル付きポインターの少しの理論

ラベル付きポインターの使用

さて、かなり理論、練習に移りましょう！

結論

更新：

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