64位的时代

两个月前Apple放出了这样一条消息。今天Apple又来了：

As we announced in October, beginning on February 1, 2015 new iOS apps submitted to the App Store must include 64-bit support and be built with the iOS 8 SDK. Beginning June 1, 2015 app updates will also need to follow the same requirements. To enable 64-bit in your project, we recommend using the default Xcode build setting of “Standard architectures” to build a single binary with both 32-bit and 64-bit code.

意思是大概这么三条:

• 从2015年2月1日起，新提交的App，必须用iOS 8 SDK打包，且必须要包含64bit的版本。

• 从2015年6月1日起，更新的App也必须符合上面你的要求。

• 建议开发者用Standard architecture打包，会build出32bit和64bit两个版本。

这样的要求带来的结果是:

• 如果你的App还支持iOS 6以下的版本，那么对于iOS 6及以下的用户，在App Store上下载的app是 32bit的，对于iOS 7以上的用户，下载的是64 bit的版本。当然，还要将设备考虑进去，比如你用的是iPhone4，装了iOS7，那么也只能下载32bit的版本，因为iPhone4不支持64bit。

看来Apple这次是铁了心的要推广64bit的app，进而推动它新操作系统的更新（淘汰iOS 7以下的系统）和设备的更新换代（淘汰iPhone 5s以下的设备 ）。

但Apple还没有明确说禁止提交32bit的app，估计是要慢慢过渡。

今天仔细读了一遍64-Bit Transition Guide for Cocoa Touch。摘录下其中关键的部分:

64bit at a Glance

Apple A7支持两种不同的指令集:

• 32bit ARM : 所有CPU都支持
• 64bit ARM : 64bit ARM

使用64bit ARM architecture的优势

• CPU寻址空间变大了

• 整型,浮点型的寄存器数量增加了一倍，这意味着有更多register可以被利用，从而性能将会带来极大的提升（访问寄存器的速度要远快于访问内存）。

• LLVM针对64bit进行了优化，提升了App的性能

注意的点

• 64bit的pointer意味着消耗更多的内存。

• 64bit的app只能运行在iOS 7.0.3以后的系统上，并且设备是支持64bit的（iPhone 5s以后）。

• 从32bit到64bit需要对基本的数据类型做一些处理,如int,NSInteger,float,CGFloat等。

Major 64 bit changes

64bit 和 32bit的运行时环境，主要由两方面区别：

• 64bit环境中，基本数据类型均要求严格的内存对齐，这会带来自身size的增加。

• 64bit环境中，对函数原型(function protype)的声明，有这个更严格的要求。

C或Objective-C是不会去限制原生数据类型的size的，因为这与具体的平台相关，不同平台会针对硬件环境和操作系统来重新定义这些数据类型。从32bit到64bit，这些基本数据类型的大小要重新定义。

ILP32 vs LP64

32bit的runtime环境使用ILP32的数据模型，integer，long，pointer都是32bit长。64bit的runtime环境使用的是LP64的数据模型，integer是32bit长，long，pointer类型是64bit长。更多数据类型的变化如下图：

关于浮点型的变化如下：

• 对于使用可变参数的函数和普通函数的相互cast要格外小心。

• accessing isa：

If you are writing low-level code that targets the Objective-C runtime directly, you can no longer access an object’s isa pointer directly. Instead, you need to use the runtime functions to access that information.

直接给出在64bit平台下，访问isa指针的方法：

 #ifdef __arm64__
        // See http://www.sealiesoftware.com/blog/archive/2013/09/24/objc_explain_Non-pointer_isa.html        
        extern uint64_t objc_debug_isa_class_mask WEAK_IMPORT_ATTRIBUTE;
        clz = (__bridge Class)((void *)((uint64_t)obj->isa & objc_debug_isa_class_mask));
 #else
        clz = obj->isa;
 #endif

• 64bit的汇编指令集发生了变化，关于32bit的ARM指令集，可以参考我之前的文章。

Converting Your App to a 64-Bit Binary

不要将pointer强制转换为int类型。

考虑下面代码:

int *c = something passed in as an argument....
int *d = (int *)((int)c + 4); // Incorrect.
int *d = c + 1;               // Correct!

在32bit的系统中，pointer和int大小相同，相互cast没有问题，但是在64bit的系统中，pointer的size大于int，因此这样cast会破坏pointer。如果一定要做转换，要使用uintptr_t。

保持数据类型一致性

例子:

long PerformCalculation(void);
 
int  x = PerformCalculation(); // incorrect
long y = PerformCalculation(); // correct

函数返回值类型要保持一致。

CocoaTouch的一些基本数据类型发生了变化

例子:

// Incorrect.
CGFloat value = 200.0;
CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberFloatType, &value);
 
// Correct!
CGFloat value = 200.0;
CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberCGFloatType, &value);

有符号和无符号数据的运算要注意:

• 无符号数通过补零来转换为larger type。

• 有符号数通过扩展符号位来转换为larger type（如: int a=-2，表示为0xfffffe，long b = a; 则b表示为 0xffffff ffffe）。

• 常量（除非明确声明其类型，如: 0x8L）都将使用size最小的数据类型来表示。16进制表示的数字会被编译器解析为int,long,long long类型。

• 当相同位数的有符号数和无符号数相加，结果为无符号数。

例子：

int a=-2;
unsigned int b=1;
long c = a + b;
long long d=c; // to get a consistent size for printing.
 
printf("%lld\n", d);

上面代码在32bit运行时环境的结果为: 4294967295 。

• 原因是:

a的16进制值为 0xfffffe(-2的反码为0xfffffd,补码=反码+1), b的16进制值为0x000001,求和后c为0xffffffff，由于c为long型，根据上面第1条和第4条，高32位补0，结果为:(0x00000000ffffffff)。

• 解决办法:

一种巧妙的解决办法是将 b 声明为long型。这样b就变为 0x0000000000000001。由于a的位数小于b，因此a要补齐，根据上面第2条，a变为0xfffffffffffffffe。这样相加后，结果变为0xffffffffffffffff为-1。得到了正确的结果:

int a=-2;
unsigned long b=1;
long c = a + b;
long long d=c; // to get a consistent size for printing.
 
printf("%lld\n", d);

使用一些不会根据平台环境变化的数据结构：

要兼顾字节对齐：

定义struct要注意字节对齐:

struct bar {
    int32_t foo0;
    int32_t foo1;
    int32_t foo2;
    int64_t bar;
};

在32bit的环境中，bar的padding offset是12字节。到了64bit中，bar的padding offset变成了16字节。因为在64bit的环境中，最小alignment的字节数变为8字节，那么在foo2后面会额外补充4字节的0。

如果你要定义一个新的结构体，将size最大的数据类型定义在最前面，size最小的数据类型定义在最后面。这种定义方式会尽量减少padding的字节数。如果你要使用原先32bit环境下的struct，可以用#pragma pack(4)来强行指定字节对齐方式按照32bit来对齐，这种方式当然会损耗一些性能。

如下:

 #pragma pack(4)
struct bar {
    int32_t foo0;
    int32_t foo1;
    int32_t foo2;
    int64_t bar;
};
 #pragma options align=reset

函数与函数指针

在64bit的环境中，编译器生成的用来处理可变参数的函数的指令顺序和32bit环境有着较大的区别,因此这两者不可以强制相互cast：

int MyFunction(int a, int b, ...);
 
int (*action)(int, int, int) = (int (*)(int, int, int)) MyFunction;
action(1,2,3); // Error!

在64bit的环境中，尽量使用函数原型，这种通过函数指针调用函数的方式有风险，因为可能会碰到可变参数的函数。

Message Dispatch

objc_msgSend的函数原型为:id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)，显然它是一个可变参数的函数。在32bit的环境中，我们可以通过这个方法在运行时调用某个类的某个method，而不用考虑可变参数的问题:

  int ret1 = objc_msgSend(obj,@selector(method1:),@"hello");
  int ret2 = objc_msgSend(obj,@selector(method1:),@"hello",nil);

但是在64bit环境中，如果使用objc_msgSend来调用某个method，需要明确的提供这个method的函数原型:

- (int) doSomething:(int) x { ... }
- 
- (void) doSomethingElse {
    int (*action)(id, SEL, int) = (int (*)(id, SEL, int)) objc_msgSend;
    action(self, @selector(doSomething:), 0);
}

其它

• 不要自定义原生数据类型，因为它涉及到32bit和64bit两套环境，以及他们之间的相互转换。

• 不要直接访问isa指针，因为它指向的数据结构发生了变化。使用object_getclass或object_setclass。

• 不要Hard Code虚拟内存的page size。关于iOS下的虚拟内存，参考之前的这篇文章。

• 关于使用内存的优化，这部分不详细列出。

附录 | iPhone Hardware/OS Model

Further Reading

• iPhone Hardware Models
• ARM Cortext-A8
• Apple A4
• Apple A5
• Apple A6
• Apple A7
• Apple A8
• Mike Ash:ARM64
• iOS ABI