Python使用struct處理二進制

有的時候需要用python處理二進制數據,比如,存取文件,socket操作時.這時候,可以使用python的struct模塊來完成.可以用 struct來處理c語言中的結構體.
 

struct模塊中最重要的三個函數是pack(), unpack(), calcsize()

pack(fmt, v1, v2, ...)     按照給定的格式(fmt),把數據封裝成字符串(實際上是類似於c結構體的字節流)

unpack(fmt, string)       按照給定的格式(fmt)解析字節流string,返回解析出來的tuple

calcsize(fmt)                 計算給定的格式(fmt)佔用多少字節的內存
 

struct中支持的格式如下表:

Format C Type Python 字節數
x pad byte no value 1
c char string of length 1 1
b signed char integer 1
B unsigned char integer 1
? _Bool bool 1
h short integer 2
H unsigned short integer 2
i int integer 4
I unsigned int integer or long 4
l long integer 4
L unsigned long long 4
q long long long 8
Q unsigned long long long 8
f float float 4
d double float 8
s char[] string 1
p char[] string 1
P void * long

注1.q和Q只在機器支持64位操作時有意思

注2.每個格式前可以有一個數字,表示個數

注3.s格式表示一定長度的字符串,4s表示長度爲4的字符串,但是p表示的是pascal字符串

注4.P用來轉換一個指針,其長度和機器字長相關

注5.最後一個可以用來表示指針類型的,佔4個字節
 

爲了同c中的結構體交換數據,還要考慮有的c或c++編譯器使用了字節對齊,通常是以4個字節爲單位的32位系統,故而struct根據本地機器字節順序轉換.可以用格式中的第一個字符來改變對齊方式.定義如下:

Character Byte order Size and alignment
@ native native            湊夠4個字節
= native standard        按原字節數
< little-endian standard        按原字節數
> big-endian standard       按原字節數
! network (= big-endian)

standard       按原字節數

使用方法是放在fmt的第一個位置,就像'@5s6sif'
 

示例一:

比如有一個結構體

struct Header

{

    unsigned short id;

    char[4] tag;

    unsigned int version;

    unsigned int count;

}

通過socket.recv接收到了一個上面的結構體數據,存在字符串s中,現在需要把它解析出來,可以使用unpack()函數.

import struct

id, tag, version, count = struct.unpack("!H4s2I", s)

上面的格式字符串中,!表示我們要使用網絡字節順序解析,因爲我們的數據是從網絡中接收到的,在網絡上傳送的時候它是網絡字節順序的.後面的H表示 一個unsigned short的id,4s表示4字節長的字符串,2I表示有兩個unsigned int類型的數據.


就通過一個unpack,現在id, tag, version, count裏已經保存好我們的信息了.

同樣,也可以很方便的把本地數據再pack成struct格式.

ss = struct.pack("!H4s2I", id, tag, version, count);

pack函數就把id, tag, version, count按照指定的格式轉換成了結構體Header,ss現在是一個字符串(實際上是類似於c結構體的字節流),可以通過 socket.send(ss)把這個字符串發送出去.


示例二:

import struct

a=12.34

#將a變爲二進制

bytes=struct.pack('i',a)

此時bytes就是一個string字符串,字符串按字節同a的二進制存儲內容相同。


再進行反操作

現有二進制數據bytes,(其實就是字符串),將它反過來轉換成python的數據類型:

a,=struct.unpack('i',bytes)

注意,unpack返回的是tuple

所以如果只有一個變量的話:

bytes=struct.pack('i',a)

那麼,解碼的時候需要這樣

a,=struct.unpack('i',bytes) 或者 (a,)=struct.unpack('i',bytes)

如果直接用a=struct.unpack('i',bytes),那麼 a=(12.34,) ,是一個tuple而不是原來的浮點數了。


如果是由多個數據構成的,可以這樣:

a='hello'

b='world!'

c=2

d=45.123

bytes=struct.pack('5s6sif',a,b,c,d)

此時的bytes就是二進制形式的數據了,可以直接寫入文件比如 binfile.write(bytes)

然後,當我們需要時可以再讀出來,bytes=binfile.read()

再通過struct.unpack()解碼成python變量

a,b,c,d=struct.unpack('5s6sif',bytes)

'5s6sif'這個叫做fmt,就是格式化字符串,由數字加字符構成,5s表示佔5個字符的字符串,2i,表示2個整數等等,下面是可用的字符及類型,ctype表示可以與python中的類型一一對應。


注意:二進制文件處理時會碰到的問題

我們使用處理二進制文件時,需要用如下方法

binfile=open(filepath,'rb')    讀二進制文件

binfile=open(filepath,'wb')    寫二進制文件

那麼和binfile=open(filepath,'r')的結果到底有何不同呢?

不同之處有兩個地方:

第一,使用'r'的時候如果碰到'0x1A',就會視爲文件結束,這就是EOF。使用'rb'則不存在這個問題。即,如果你用二進制寫入再用文本讀出的話,如果其中存在'0X1A',就只會讀出文件的一部分。使用'rb'的時候會一直讀到文件末尾。

第二,對於字符串x='abc\ndef',我們可用len(x)得到它的長度爲7,\n我們稱之爲換行符,實際上是'0X0A'。當我們用'w'即文本方式寫的時候,在windows平臺上會自動將'0X0A'變成兩個字符'0X0D','0X0A',即文件長度實際上變成8.。當用'r'文本方式讀取時,又自動的轉換成原來的換行符。如果換成'wb'二進制方式來寫的話,則會保持一個字符不變,讀取時也是原樣讀取。所以如果用文本方式寫入,用二進制方式讀取的話,就要考慮這多出的一個字節了。'0X0D'又稱回車符。linux下不會變。因爲linux只使用'0X0A'來表示換行。

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