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Python如何利用struct進(jìn)行二進(jìn)制文件或數(shù)據(jù)流

更新時(shí)間：2024年01月20日 10:49:29 作者：Wei.Studio

這篇文章主要介紹了Python如何利用struct進(jìn)行二進(jìn)制文件或數(shù)據(jù)流問(wèn)題,具有很好的參考價(jià)值,希望對(duì)大家有所幫助,如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

利用struct進(jìn)行二進(jìn)制文件或數(shù)據(jù)流操作

在實(shí)際工作場(chǎng)景中，特別是在嵌入式開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要和二進(jìn)制操作打交道。

這里舉兩個(gè)典型例子：

設(shè)備上的一些配置參數(shù)通常是以二進(jìn)制的形式保存在Flash等非易失存儲(chǔ)芯片中，而配置參數(shù)的格式與內(nèi)容編輯工作通常是在PC上中完成，將生成的xxx.bin文件下載到設(shè)備并寫入Flash中，設(shè)備啟動(dòng)后從Flash固定地址讀取配置到內(nèi)存中使用。如果能夠在PC上以某種腳本的形式方便的對(duì)二進(jìn)制文件的格式和內(nèi)容進(jìn)行編輯，或者將二進(jìn)制文件解析為方便閱讀的格式，可以提升很多工作效率，使用起來(lái)也非常方便

設(shè)備和管理端(上位機(jī)、服務(wù)器等)需要通過(guò)一定的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，操作人員通過(guò)管理端訪問(wèn)和控制設(shè)備，例如使用UART進(jìn)行串口通信，或者使用Ethernet接口進(jìn)行UDP/TCP甚至應(yīng)用層協(xié)議通信。無(wú)論使用什么接口，都需要對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議封裝，使用二進(jìn)制的數(shù)據(jù)流封裝是一個(gè)非常普遍的選擇，尤其是在資源非常緊張的嵌入式平臺(tái)上，與使用字符串或JSON格式傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議(例如HTTP)相比，二進(jìn)制占用的帶寬和內(nèi)存資源較少。另外，很多嵌入式平臺(tái)上由于資源限制(內(nèi)存、庫(kù)函數(shù)支持等)，并不能很好的集成復(fù)雜協(xié)議的很多要求，反而是二進(jìn)制格式是C語(yǔ)言原生支持，也更方便移植

Python作為一個(gè)靈活的腳本語(yǔ)言，在運(yùn)行環(huán)境搭建、編碼和調(diào)試方面都很便利，而且有豐富的第三方庫(kù)支持，通常只需要很少量的代碼就能夠輕松完成很多工作。

以下內(nèi)容分別從二進(jìn)制文件和二進(jìn)制數(shù)據(jù)流方面對(duì)Python中struct的用法進(jìn)行說(shuō)明

struct進(jìn)行二進(jìn)制操作的用法

struct是Python內(nèi)置的一個(gè)模塊，struct對(duì)數(shù)據(jù)格式的封裝能夠與C語(yǔ)言進(jìn)行非常方便的適配，能夠完美的支持C語(yǔ)言原生的數(shù)據(jù)類型，以及指定字節(jié)順序。

以下表格是struct封裝格式與C語(yǔ)言數(shù)據(jù)類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

struct支持的格式
Format	C Type	Python Type	Size
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	4
l	long	integer	4
L	unsigned long	integer	4
q	long long	integer	8
Q	unsigned long long	integer	8
f	float	float	4
d	double	float	8
s	char[]	string
p	char[]	string
p	void *	integer

struct支持指定字節(jié)序，也是通過(guò)參數(shù)的方式指定的

struct字節(jié)序定義
Code	Meaning
@	Native order
=	Native standard
<	Little-endian
>	Big-endian
!	Network order

怎么用？

struct提供了一些函數(shù)來(lái)封裝數(shù)據(jù)

pack(fmt, v1, v2, ...)：按照給定的格式fmt，將數(shù)據(jù)v1和v2封裝
rdata = unpack(fmt, data)：按照給定的格式fmt，將源數(shù)據(jù)data解析為元組形式的rdata
calcsize(fmt)：計(jì)算給定格式占用的內(nèi)存字節(jié)數(shù)
pack_into(fmt, buffer, offset, v1, v2…)：按照給定的格式fmt將數(shù)據(jù)以追加的方式封裝，寫入以offset開(kāi)始的buffer中
rdata = unpack_from(fmt, buffer, offset)：按照給定的格式fmt解析以offset開(kāi)始的緩沖區(qū)buffer，并返回解析結(jié)果

這些函數(shù)接口中的"fmt"，是字符串的形式，其內(nèi)容就是上文中兩個(gè)表格的第一列。

例如：以下代碼將16進(jìn)制字"0x1516"分別以小端和大端形式封裝為x1和x2

import struct
 
x1 = struct.pack('H', 0x1516)
x2 = struct.pack('>H', 0x1516)
print('x1:{} x2:{}'.format(x1, x2))
 
# running result:
# x1:b'\x15\x13' x2:b'\x13\x15'

參數(shù)中的"fmt"可以是單獨(dú)某一種格式，也可以是多種格式的混合

例如：以下代碼將一個(gè)十六進(jìn)制字節(jié)"0xaa"和雙字"0x11223344"合并封裝為x，然后再解析為

import struct
 
x = struct.pack('BI', 0xaa, 0x11223344)
d1, d2 = struct.unpack('BI', x)
print('pack:{} unpack:{:#x} {:#x}'.format(x, d1, d2))
 
# running result:
# pack:b'\xaa\x00\x00\x00D3"\x11' unpack:0xaa 0x11223344

二進(jìn)制文件操作

利用struct進(jìn)行二進(jìn)制文件編輯，有以下關(guān)鍵點(diǎn)

使用ctypes.create_string_buffer創(chuàng)建buffer
使用pack_into進(jìn)行追加封裝
文件打開(kāi)使用'b'標(biāo)志表示以二進(jìn)制方式寫入

以下例子利用struct封裝一個(gè)固定格式的數(shù)據(jù)到bin文件，并讀出解析

# python3.7.6
 
import struct
from ctypes import create_string_buffer
 
 
"""
Python struct example
    package a format into binary finle
    
    format define:
    31               15              0
    +--------------------------------+
    |              mark              |
    +----------------+---------------+
    |     version    |    length     |
    +----------------+---------------+
    |            checksum            |
    +--------------------------------+
    |              data...           |
    +--------------------------------+
"""
 
 
def dump(mark, version, length, data, checksum):
    print('\n---- dump ----')
    print('mark:{:#X}'.format(mark))
    print('version:{}.{}'.format(version['major'], version['minor']))
    print('data length:{}'.format(length))
    print('checksum:{}'.format(checksum))
    print('data:{}'.format(data))
    print('--------------\n')
 
 
def save_bin(binary_file='test.bin', mark=0x5A5A5A5A, version={'major':1, 'minor':0}):
    
    offset = 0
    checksum = 0
    dataLength = 0
    data = [1,2,3,4,5,6,7,8]
    
    # create buffer
    buffer_size = 4+2+2+4+len(data)*4
    buffer = create_string_buffer(buffer_size)
    print('create buffer with {}byte'.format(buffer_size))
 
    # pack mark+version+length
    fmt = 'IBBH'
    dataLength = len(data)
    struct.pack_into(fmt, buffer, offset, mark, version['major'], version['minor'], dataLength)
    offset = offset + struct.calcsize(fmt)
 
    # pack data
    fmt = 'I'
    offset = offset + 4     # skip checksum
    for x in data:
        struct.pack_into(fmt, buffer, offset, x)
        offset = offset + struct.calcsize(fmt)
 
    # pack checksum
    fmt = 'I'
    offset = 8
    for x in buffer:
        d = x[0]
        checksum = checksum + d
    struct.pack_into(fmt, buffer, offset, checksum)
 
    # write to file
    f = open(binary_file, 'wb')
    f.write(buffer)
    f.close()
 
    dump(mark, version, dataLength, data, checksum)
 
    print('{}byte write to {}'.format(len(buffer), binary_file))
 
def read_bin(binary_file='test.bin'):
 
    offset = 0
    data = []
 
    # open and read file
    fmt = 'IBBHI'
    f = open(binary_file, 'rb')
    buffer = f.read()
    mark, major, minor, length, checksum = struct.unpack_from(fmt, buffer, 0)
    version = {'major':major, 'minor':minor}
 
    offset = struct.calcsize(fmt)
    for i in range(length-1):
        offset = offset + 4
        d = struct.unpack_from('I', buffer, offset)
        data.append(d[0])
 
    dump(mark, version, length, data, checksum)
    print('read {}byte from {}'.format(len(buffer), binary_file))
 
 
save_bin()
read_bin()
 
 
"""
running result:
create buffer with 44byte
---- dump ----
mark:0X5A5A5A5A
version:1.0
data length:8
checksum:405
data:[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
--------------
44byte write to test.bin
---- dump ----
mark:0X5A5A5A5A
version:1.0
data length:8
checksum:405
data:[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]
--------------
read 44byte from test.bin
"""