Python基础教程：struct模块与格式化字符详解

简介

在计算机科学中，数据的存储形式主要有两种：二进制和文本。当数据以文本形式存储时，读取这些数据并将其转换成Python中的数据类型是一个常见的需求。由于Python的底层实现依赖于C语言，因此涉及到C语言的数据结构转换。Python的struct模块正是为此设计的，它能够帮助开发者高效地完成这一转换过程。

struct模块的方法

struct模块提供了一系列用于处理二进制数据的方法，主要包括：pack、pack_into、unpack、unpack_from、iter_unpack和calcsize。这些方法的核心功能在于数据的打包（将Python数据类型转换为二进制格式）和解包（将二进制数据转换回Python数据类型）。

方法详解

• pack(format, v1, v2, ...)：根据指定的格式字符串将多个值打包成一个字节对象。


• pack_into(format, buffer, offset, v1, v2, ...)：将数据打包后直接写入指定偏移量的缓冲区。


• unpack(format, buffer)：从缓冲区中按照指定格式解包数据，返回一个元组。


• unpack_from(format, buffer, offset=0)：从缓冲区的指定位置开始解包数据。


• iter_unpack(format, buffer)：以迭代的方式从缓冲区中解包数据，适用于处理大量数据的情况。


• calcsize(format)：计算给定格式字符串对应的数据结构的大小。

格式化字符串

格式化字符串是struct模块中非常重要的概念，它定义了数据的打包和解包规则。格式化字符串由一系列格式字符组成，这些字符指定了数据的具体类型和排列方式。

字节顺序、大小和对齐方式

在多字节数据类型中，字节的顺序（endianness）、大小和对齐方式对数据的正确解释至关重要。struct模块允许开发者通过特定的字符来指定这些属性：

• @：本机字节顺序、大小和对齐方式。


• =：标准大小，无对齐。


• <：小端字节序，标准大小，无对齐。


• >：大端字节序，标准大小，无对齐。


• !：网络字节序（等同于大端字节序），标准大小，无对齐。

格式字符

每种数据类型都对应着一个或多个格式字符，这些字符决定了如何将数据转换为二进制形式。例如，i代表有符号整数，f代表单精度浮点数等。详细的格式字符列表如下：

示例

下面是一些使用struct模块进行数据打包和解包的示例：

from struct import pack, unpack, calcsize

# 打包一个整数
packed_data = pack("i", 10)
print(packed_data)  # 输出: b'\x00\x00\x00\x0a'

# 解包一个整数
unpacked_data = unpack("i", packed_data)
print(unpacked_data)  # 输出: (10,)

# 计算格式大小
calc_size = calcsize("i")
print(calc_size)  # 输出: 4

高级应用

除了基本的数据打包和解包，struct模块还支持更复杂的场景，如嵌套结构、动态字段等。通过组合不同的格式字符，可以实现对复杂数据结构的精确控制。

示例：学生信息记录

假设有一个学生信息记录，包括姓名（固定长度10字节）、学号（无符号短整型）、学校ID（无符号短整型）和年级（带符号字节）。可以通过以下代码进行处理：

record = b"raymond   \x32\x12\x08\x01\x08"
name, serialnum, school, gradelevel = unpack("<10sHHb", record)

from collections import namedtuple
Student = namedtuple("Student", "name serialnum school gradelevel")
student_info = Student._make(unpack("<10sHHb", record))
print(student_info)

总结

本文详细介绍了Python中struct模块的基本功能和使用方法，包括数据的打包、解包以及格式化字符串的使用。通过本文的学习，读者应该能够熟练地使用struct模块处理各种二进制数据，从而在实际开发中更加得心应手。