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Python二進制數據結構Struct的具體使用

二進制數據結構Struct

在C/C++語言中，struct被稱為結構體。而在Python中，struct是一個專門的庫，用于處理字節串與原生Python數據結構類型之間的轉換。

本篇，將詳細介紹二進制數據結構struct的使用方式。

函數與Struct類

struct庫包含了一組處理結構值得模塊級函數，以及一個Struct類。格式指示符將由字符串格式轉換為一種編譯表示，這與處理正則表達式得方式類似。

這個轉換會耗費一些資源，所以創建一個Struct實例并再這個實例上調用方法時，只完成一次轉換，往往會更高效。

打包

Struct支持使用格式指示符將數據打包為字符串，另外支持從字符串解包數據，格式指示符由表示數據類型的字符串和可選的數量及字節序指示符構成。

下面，我們來打包一個元組，將其轉換為16進制字節序列，示例如下：

import struct
import binascii

values = (2, 'lyj'.encode('UTF-8'), 3.8)
s = struct.Struct('I 3s f')
packed_data = s.pack(*values)
print("原值：", values)
print("格式指示符：", s.format)
print("大小：", s.size, 'bytes')
print("打包值：", binascii.hexlify(packed_data))

運行之后，效果如下：

這里的格式指示符為“I 3s f”。前面介紹array數組時，我們已經列出過一個表格。其中I標識一個整型或長整型，3s表示3個字節字符串（lyj）,f表示浮點數。

解包

struct庫使用unpack()可以從打包的表示數據中抽取數據，這里直接復制上面的打包值，進行測試。示例如下：

import struct
import binascii

packed_data = binascii.unhexlify(b'020000006c796a0033337340')
s = struct.Struct('I 3s f')
unpacked_data = s.unpack(packed_data)
print("解包值：", unpacked_data)

運行之后，效果如下：

雖然使用unpack()解包基本會得到相同值，但浮點數的值有微小的差別。

字節序指示符

默認情況下，值會使用原生C庫的字節序(endianness)來編碼。Struct的字節序指示符如下表所示：

代碼	含義
@	原生順序
=	原生標準
	小端
>	大端
!	網絡順序

示例如下：

import struct
import binascii

values = (2, 'lyj'.encode('UTF-8'), 3.8)
endianness = [
    ('@', '原生順序'),
    ('=', '原生標準'),
    ('', '小端'),
    ('>', '大端'),
    ('!', '網絡順序'),
]
for code, name in endianness:
    s = struct.Struct(code + ' I 3s f')
    packed_data = s.pack(*values)
    print("格式化字符串：", s.format, ' for ', name)
    print("大小：", s.size, 'bytes')
    print("打包：", binascii.hexlify(packed_data))
    print("解包：", s.unpack(packed_data))

運行之后，效果如下：

如果想改變字節序來編碼，如上面代碼所示，只需要改變格式串中提供一個顯式的字節序指令，就可以很容易地覆蓋這個默認選擇。

緩沖區

通常在強調性能的情況下或者向擴展模塊傳入或傳出數據時才會處理二進制打包數據。

為了避免為每個打包結構分配一個新緩沖區所帶來的開銷，通常情況下，我們使用pack_into()和unpack_from()方法支持直接寫入預分配的緩沖區。

示例如下：

import struct
import binascii
import ctypes
import array

values = (2, 'lyj'.encode('UTF-8'), 3.8)
s = struct.Struct('I 3s f')
print("原始值：", values)
b = ctypes.create_string_buffer(s.size)
print("打包之前(緩沖區的值)：", binascii.hexlify(b.raw))
s.pack_into(b, 0, *values)
print("打包之后(緩沖區的值)：", binascii.hexlify(b.raw))
print("解包：", s.unpack_from(b, 0))

a = array.array('b', b'\0' * s.size)
print("打包之前(緩沖區的值)：", binascii.hexlify(a))
s.pack_into(a, 0, *values)
print('打包之后(緩沖區的值)：', binascii.hexlify(a))
print("解包：", s.unpack_from(a, 0))

運行之后，效果如下：