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Python 中 struct 模块的用法

by LauCyun Feb 23,2018 13:52:14 11,240 views

Python 为了保持语言的简洁,仅仅为用户提供了几种简单的数据结构:intfloatstrlistdict 和 tuple。不同于编译型语言 C/C++,在 Python 中,我们往往不需要关心不同类型的变量在解释器内部的实现方式。例如,对于一个长整形数据,我们在 Python 2 中可以直接写成 a=123456789012345L,而不用去考虑变量 a 占了几个字节。这种抽象的方式为程序的编写提供了足够的支持,但是在某些情况下(比如读写二进制文件,进行网络 Raw Socket 编程)的时候,我们需要一些其他模块来实现我们关于变量长度控制的需求。

struct 模块

当我们在 Python 中跟二进制数据打交道的时候,就要用到 struct 这个模块了。struct 模块为 Python 与 C 的混合编程,处理二进制文件以及进行网络协议交互提供了便利。理解这个模块主要需要理解三个函数:

struct.pack(fmt, v1, v2, ...)
struct.unpack(fmt, string)
struct.calcsize(fmt)

第一个函数 pack 负责将不同的变量打包在一起,成为一个字节字符串,即类似于 C 语言中的字节流。第二个函数 unpack 将字节字符串解包成为变量。第三个函数 calsize 计算按照格式 fmt 打包的结果有多少个字节。这里打包格式 fmt 确定了将变量按照什么方式打包成字节流,其包含了一系列的格式字符串。这里就不再给出不同格式字符串的含义了,详细细节可以参照 7.1. struct — Interpret bytes as packed binary data — Python 3.6.4 documentation.

使用 struct 打包定长结构

一般而言,在使用 struct 的时候,要打包的数据都是定长的。定长的数据代表你需要明确给出要打包的或者解包的数据长度,否则打包解包函数将会出错。下面用例子说明什么是定长打包:

import struct

a = struct.pack("2I3sI", 12, 34, b"abc", 56)
print(a)
## 输出 
b'\x0c\x00\x00\x00"\x00\x00\x00abc\x008\x00\x00\x00'

b = struct.unpack("2I3sI", a)
print(b)
## 输出 
(12, 34, b'abc', 56)

我们可以调用 calcsize() 来计算 "2I3sI" 这个模式占用的字节数:上面的代码将两个整数 12 和 34,一个字符串 “abc” 和一个整数 56 一起打包成为一个字节字符流,然后再解包。其中打包格式中明确指出了打包的长度:"2I" 表明起始是两个unsigned int"3s" 表明长度为3的字符串,最后一个 "I" 表示最后紧跟一个 unsigned int。所以上面的打印 b 输出结果是:(12, 34, b'abc', 56)。

print(struct.calcsize("2I3sI"))
## 输出 
16

可以看到上面的三个整型加一个 3 字符的字符串一共占用了 16 个字节。为什么会是 16 个字节呢?不应该是 15 个字节吗?其实,在 struct 的打包过程中,根据特定类型的要求,必须进行字节对齐。由于默认 unsigned int 型占用四个字节,因此要在字符串的位置进行4字节对齐,因此即使是 3 个字符的字符串也要占用 4 个字节。

再看一下不需要字节对齐的模式:

print(struct.calcsize("2Is"))
## 输出 
9

由于单字符出现在两个整型之后,不需要进行字节对齐,所以输出结果是 9.

需要指出的是,对于 unpack 而言,只要 fmt 对应的字节数和字节字符串 string 的字节数一致,就可以成功的进行解析,否则 unpack 函数将抛出异常。例如我们也可以使用如下的 fmt 解析出 a

c = struct.unpack("2I2sI", a)
print(struct.calcsize("2I2sI"))
print(c)

## 输出 
16
(12, 34, b'ab', 56)

可以看到这里 unpack 解析出了字符串的前两个字符,没有产生任何问题。

struct 处理不定长数据

在上一节的介绍中,我们看到了在使用 pack 和 unpack 的过程中,我们需要明确的指出打包模式中每个位置的长度。比如格式 "2I3sI" 就明确指出了整型的个数和字符串的个数。有时候,我们还可能会需要处理变长的打包数据。

变长字符串的打包

例如我们在程序中可能会得到一个字符串 s,这个 s 没有一个固定的长度,所以我们每次打包的时候都需要将 s 的长度也打包到一起,这样我们才能进行正确的解包。其实,这种情况在处理网络数据包中非常常见。在使用网络编程的时候,我们可能利用报文的第一个字段记录报文的长度。每次读取报文的时候,我们先读取报文的第一个字段,获取其长度之后在处理报文内容。

我们可以采用两种方式处理这种情况:

s = bytes(s, 'utf-8')    # Or other appropriate encoding
struct.pack("I%ds" % (len(s),), len(s), s)

或者

struct.pack("I", len(s)) + s

第一种方式先将报文转变成为字节码,然后获取字节码的长度,将长度嵌入到打包之后的报文中去。可以看到格式字符串中的 "I" 就用来记录报文的长度。第二种方式是直接将字符串的长度打包成字节字符串,再跟原始字符串做一个连接操作。

变长字符串的解包

根据上面的打包方式,我们可以轻松的解开打包串:

int_size = struct.calcsize("I")
(i,), data = struct.unpack("I", data[:int_size]), data[int_size:]
data_content = data[i:]

由于报文的长度 len(s) 我们使用定长的整型 "I" 进行了打包,所以解包的时候我们可以先将报文长度获取出来,之后再根据报文长度读取报文内容。

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