python使用struct处理二进制数据(使用pack和unpack进行打包和解包)

前言：

背景：很多时候我们需要用python处理二进制数据。例如，存储文件、进行socket操作等。这个时候就需要用到struct模块。

struct用途：

(1)按照指定格式将Python数据转换为字符串(字节流)。如网络传输时不能直接传输int/long数据,此时要先将int/long转化为字节流,然后再发送;
(2)按照指定格式将字节流转换为Python指定的数据类型;
(3)处理二进制数据,如果用struct来处理文件的话,需要用’wb’,’rb’以二进制(字节流)写,读的方式来处理文件;
(4)处理C或者C++语言中的结构体;

接下来我们介绍struct模块中最重要的pack,unpack两个函数。

注：例如二进制流与数值的互相转换在编解码、开发小工具方面用途非常广泛。

二、struct模块

1、pack()函数

#按照给定的格式(format),把数据封装成字符串(实际上是类似于C结构体的字节流)
pack(format,v1,v2,...)

2、unpack()函数

#按照给定的格式(format)，解析字节流string,返回解析出来的tuple
pack(format,string)

3、calcsize()函数

#计算给定的格式(format)占用多少字节的内存。
#注：icc表示三个成员数据类型是interger, char, char。
size = struct.calcsize(’@icc’) 结果是6。
size = struct.calcsize(’@cic’) 结果是9。

4、上述format支持的格式参见末尾表格。关于格式有如下几点说明：

(1)每个格式前面可以带一个数字,表示个数；

(2)s格式表示一定长度的字符串,4s表示长度为4的字符串；

(3)P用来转换一个指针,其长度和机器字长相关；

5、为了同C结构体交换数据还要考虑C或者C++编译器用到的字节对齐。字节序和对齐方式有如下5种：

Character	Byte order	Size	Alignment
@(默认)	本机	本机	本机,凑够4字节
=	本机	标准	none,按原字节数
<	小端	标准	none,按原字节数
>	大端	标准	none,按原字节数
!	network(大端)	标准	none,按原字节数

(1)Byte order列中的native(本机)表示和当前系统的字节序一致；

(2)size列的native(本机)表示这个时候数据类型的大小和sizeof一致；如果是standard(标准)表示数据类型的长度是固定的；

(3)alignment是native(本机)的时候表示和当前系统的字节对齐方式一致。但是要注意的是python中的字节填充(padding)只会在连续的结构体成员之间添加，不会在结构体的开头和结尾添加。例如：

size = struct.calcsize(’@icc’) 结果是6。
size = struct.calcsize(’@cic’) 结果是9。

原因是系统字节对齐是4，第一个c和i之间添加了3个字节padding,但是最后一个c，后边没有添加padding,所以结果是9而不是12。

1）如何解决这个问题？当然有办法，在格式字符串的最后添加一个“0X”，“X”是一个数据类型，如“i”，代表的就是long,这时候就是指定数据类型，这时候就和C语言中的字节对齐完全一致。
size = size = struct.calcsize(’@cic0i’) 结果是12。

2）举个例子
在C代码中定义结构体：
Struct Person{
int fortune;
char height;
char weight;
};
假设从C代码中获取到的结构体数据是buf, 在python中使用struct模块按照上述的格式解析结构体中的数据。
python中使用struct.unpack(’@icc’, buf);解析结构体数据，这个时候就会报错。原因就是字节对齐导致两方的长度不一样。
size = struct.calcsize(’@icc’) 的结果是6，而sizeof(Person)的长度是8。这样就会导致解析错误。这是后需要指定格式对齐。
struct.unpack("@icc0i",buf)。这样就能正确解析C语言中的结构体。

(4)默认情况下使用字节序且对齐字符即表格中的”@“。

(5)对于涉及到socket收发的情况我们一般用”i“，即网络字节序。

三、使用举例

1、首先要明白不同类型数据的自然边界对齐值，如下:

数据类型	对齐值
char	1
short	2
int	4
long	4（8,64位）
float	4
double	8
void *	4（8,64位）

注意：如果一个结构体全部由char组成，也就是说其对齐值为1；此时完全没有担心字节对齐引发问题的必要了。

2、可以随心所欲的在C/C++的结构体之前来回解析与转换(也就是说socket发送C结构体其实一样很好操作)

比如有如下一个结构体

struct Header
{unsigned short id;char[4] tag;unsigned int version;unsigned int count;
}

通过socket.recv接收到这个结构体buf的时候需要要把它解析出来，此时就可以使用unpack函数。

import struct
#'!'表示我们用网络字节序解析,因为我们是从网络上接收到这个buf的。
#'H'表示unsigned short的id；
#'4s'表示四个字节长的字符串；
#'2I'表示有两个unsigned int类型的数据；
id,tag,version,count = struct.unpack('!H4s2I',buf)

同样我们也可以很方便的把本地数据在pack成struct格式。

buf = struct.pack('!H4s2I',id,tag,version,count)

pack函数就是把四个参数按照指定的格式转换成了结构体Header，buf现在是一个字符串(实际上类似于C结构体的字节流)，这个字节流是可以通过socket.send(buf)发送出去的。接受者按照上面unpack的方法就可以还原出原始的四个参数。

3、举例二：

a='hello'
b='world!'
c=2
d=45.123

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

此时的bytes就是二进制形式的数据了,可以直接写入文件比如 binfile.write(bytes);
当我们需要时可以再读出来，bytes=binfile.read()
再通过struct.unpack()解码成python变量

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

'5s6sif'这个叫做fmt，就是格式化字符串，由数字加字符构成，5s表示占5个字符的字符串，2i，表示2个整数等等，下面是可用的字符及类型，ctype表示可以与python中的类型一一对应。

struct的format支持的格式：

Format	C Type	Python type	Standard size	Notes
x	pad byte	no value
c	char	string of length 1	1
b	signed char	integer	1	(3)
B	unsigned char	integer	1	(3)
?	_Bool	bool	1	(1)
h	short	integer	2	(3)
H	unsigned short	integer	2	(3)
i	int	integer	4	(3)
I	unsigned int	integer	4	(3)
l	long	integer	4	(3)
L	unsigned long	integer	4	(3)
q	long long	integer	8	(2), (3)
Q	unsigned long long	integer	8	(2), (3)
f	float	float	4	(4)
d	double	float	8	(4)
s	char[]	string	1
p	char[]	string
P	void *	integer		(5), (3)