버퍼 프로토콜

파이썬에서 사용할 수 있는 어떤 객체는 하부 메모리 배열 또는 버퍼에 대한 액세스를 감쌉니다. 이러한 객체에는 내장 bytes 와 bytearray, 그리고 array.array와 같은 일부 확장형이 포함됩니다. 제삼자 라이브러리도 이미지 처리나 수치 해석과 같은 특수한 용도로 자체 형을 정의할 수 있습니다.

이러한 형은 각각 고유의 의미가 있지만, (아마도) 큰 메모리 버퍼에 의해 뒷받침되는 공통된 특징을 공유합니다. 어떤 상황에서는 중간 복사 없이 직접 버퍼에 액세스하는 것이 바람직합니다.

파이썬은 C 수준에서 버퍼 프로토콜 형식으로 이러한 기능을 제공합니다. 이 프로토콜에는 두 가지 측면이 있습니다:

• 생산자 측에서는, 형이 “버퍼 인터페이스”를 내보낼 수 있는데, 그 형의 객체가 하부 버퍼의 정보를 노출할 수 있게 합니다. 이 인터페이스는 버퍼 객체 구조체 절에서 설명됩니다.

• 소비자 측에서는, 객체의 원시 하부 데이터에 대한 포인터를 얻기 위해 여러 가지 방법을 사용할 수 있습니다 (예를 들어 메서드 매개 변수).

bytes 와 bytearray와 같은 간단한 객체는 하부 버퍼를 바이트 지향 형식으로 노출합니다. 다른 형태도 가능합니다; 예를 들어, array.array에 의해 노출되는 요소는 멀티 바이트 값이 될 수 있습니다.

An example consumer of the buffer interface is the write() method of file objects: any object that can export a series of bytes through the buffer interface can be written to a file. While write() only needs read-only access to the internal contents of the object passed to it, other methods such as readinto() need write access to the contents of their argument. The buffer interface allows objects to selectively allow or reject exporting of read-write and read-only buffers.

버퍼 인터페이스의 소비자가 대상 객체에 대해 버퍼를 얻는 방법에는 두 가지가 있습니다:

• 올바른 매개 변수로 PyObject_GetBuffer()를 호출합니다;

• y*, w* 또는 s* 형식 코드 중 하나를 사용하여 PyArg_ParseTuple()(또는 그 형제 중 하나)을 호출합니다.

두 경우 모두, 버퍼가 더는 필요하지 않으면 PyBuffer_Release()를 호출해야 합니다. 그렇게 하지 않으면 자원 누수와 같은 다양한 문제가 발생할 수 있습니다.

버퍼 구조체

버퍼 구조체(또는 단순히 “버퍼”)는 다른 객체의 바이너리 데이터를 파이썬 프로그래머에게 노출하는 방법으로 유용합니다. 또한, 복사 없는(zero-copy) 슬라이싱 메커니즘으로 사용할 수 있습니다. 메모리 블록을 참조하는 능력을 사용해서, 임의의 데이터를 파이썬 프로그래머에게 아주 쉽게 노출할 수 있습니다. 메모리는 C 확장의 큰 상수 배열일 수 있으며, 운영 체제 라이브러리로 전달되기 전에 조작하기 위한 원시 메모리 블록일 수도 있고, 네이티브 인 메모리(in-memory) 형식으로 구조화된 데이터를 전달하는 데 사용될 수도 있습니다.

파이썬 인터프리터가 노출하는 대부분의 데이터형과 달리, 버퍼는 PyObject 포인터가 아니라 단순한 C 구조체입니다. 이를 통해 매우 간단하게 만들고 복사할 수 있습니다. 버퍼를 감싸는 일반 래퍼가 필요할 때는, 메모리 뷰 객체를 만들 수 있습니다.

제공하는(exporting) 객체를 작성하는 간단한 지침은 버퍼 객체 구조체를 참조하십시오. 버퍼를 얻으려면, PyObject_GetBuffer()를 참조하십시오.

type Py_buffer

Part of the Stable ABI (including all members) since version 3.11.

void *buf

버퍼 필드에 의해 기술된 논리적 구조의 시작을 가리키는 포인터. 이것은 제공자(exporter)의 하부 물리적 메모리 블록 내의 모든 위치일 수 있습니다. 예를 들어, 음의 strides를 사용하면 값이 메모리 블록의 끝을 가리킬 수 있습니다.

연속 배열의 경우, 값은 메모리 블록의 시작을 가리킵니다.

PyObject *obj

A new reference to the exporting object. The reference is owned by the consumer and automatically released (i.e. reference count decremented) and set to NULL by PyBuffer_Release(). The field is the equivalent of the return value of any standard C-API function.

특수한 경우로, PyMemoryView_FromBuffer() 나 PyBuffer_FillInfo()로 감싸진 임시(temporary) 버퍼의 경우, 이 필드는 NULL입니다. 일반적으로, 제공하는(exporting) 객체는 이 체계를 사용하지 않아야 합니다.

Py_ssize_t len

product(shape) * itemsize. 연속 배열의 경우, 하부 메모리 블록의 길이입니다. 불연속 배열의 경우, 연속 표현으로 복사된다면 논리적 구조체가 갖게 될 길이입니다.

((char *)buf)[0] 에서 ((char *)buf)[len-1] 범위의 액세스는 연속성을 보장하는 요청으로 버퍼가 확보된 경우에만 유효합니다. 대부분 이러한 요청은 PyBUF_SIMPLE 또는 PyBUF_WRITABLE입니다.

int readonly

버퍼가 읽기 전용인지를 나타내는 표시기입니다. 이 필드는 PyBUF_WRITABLE 플래그로 제어됩니다.

Py_ssize_t itemsize

단일 요소의 항목 크기(바이트)입니다. NULL이 아닌 format 값에 호출된 struct.calcsize() 값과 같습니다.

중요한 예외: 소비자가 PyBUF_FORMAT 플래그 없이 버퍼를 요청하면, format은 NULL로 설정되지만, itemsize는 여전히 원래 형식의 값을 갖습니다.

shape이 있으면, product(shape) * itemsize == len 동치가 계속 성립하고 소비자는 itemsize를 사용하여 버퍼를 탐색할 수 있습니다.

PyBUF_SIMPLE 이나 PyBUF_WRITABLE 요청의 결과로 shape이 NULL이면, 소비자는 itemsize를 무시하고 itemsize == 1로 가정해야 합니다.

const char *format

단일 항목의 내용을 설명하는 struct 모듈 스타일 문법의 NUL 종료 문자열. 이것이 NULL이면, "B"(부호 없는 바이트)를 가정합니다.

이 필드는 PyBUF_FORMAT 플래그로 제어됩니다.

int ndim

The number of dimensions the memory represents as an n-dimensional array. If it is 0, buf points to a single item representing a scalar. In this case, shape, strides and suboffsets MUST be NULL. The maximum number of dimensions is given by PyBUF_MAX_NDIM.

Py_ssize_t *shape

n-차원 배열로 메모리의 모양을 나타내는 길이 ndim의 Py_ssize_t 배열. shape[0] * ... * shape[ndim-1] * itemsize는 len과 같아야 합니다.

모양 값은 shape[n] >= 0로 제한됩니다. shape[n] == 0인 경우는 특별한 주의가 필요합니다. 자세한 정보는 복잡한 배열을 참조하십시오.

shape 배열은 소비자에게 읽기 전용입니다.

Py_ssize_t *strides

각 차원에서 새 요소를 가져오기 위해 건너뛸 바이트 수를 제공하는 길이 ndim의 Py_ssize_t 배열.

스트라이드 값은 임의의 정수일 수 있습니다. 일반 배열의 경우, 스트라이드는 보통 양수이지만, 소비자는 strides[n] <= 0인 경우를 처리할 수 있어야 합니다. 자세한 내용은 복잡한 배열을 참조하십시오.

strides 배열은 소비자에게 읽기 전용입니다.

Py_ssize_t *suboffsets

길이 ndim의 Py_ssize_t 배열. suboffsets[n] >= 0 면, n 번째 차원을 따라 저장된 값은 포인터이고 서브 오프셋 값은 역참조(de-referencing) 후 각 포인터에 더할 바이트 수를 나타냅니다. 음의 서브 오프셋 값은 역참조(de-referencing)가 발생하지 않아야 함을 나타냅니다 (연속 메모리 블록에서의 스트라이드).

모든 서브 오프셋이 음수면 (즉, 역참조가 필요하지 않으면), 이 필드는 NULL(기본값) 이어야 합니다.

이 유형의 배열 표현은 파이썬 이미징 라이브러리(PIL)에서 사용됩니다. 이러한 배열 요소에 액세스하는 방법에 대한 자세한 내용은 복잡한 배열을 참조하십시오.

suboffsets 배열은 소비자에게 읽기 전용입니다.

void *internal

이것은 제공하는(exporting) 객체에 의해 내부적으로 사용됩니다. 예를 들어, 이것은 제공자(exporter)가 정수로 다시 캐스팅할 수 있으며, 버퍼가 해제될 때 shape, strides 및 suboffsets 배열을 해제해야 하는지에 대한 플래그를 저장하는 데 사용됩니다. 소비자가 이 값을 변경해서는 안 됩니다.

Constants:

PyBUF_MAX_NDIM

The maximum number of dimensions the memory represents. Exporters MUST respect this limit, consumers of multi-dimensional buffers SHOULD be able to handle up to PyBUF_MAX_NDIM dimensions. Currently set to 64.

버퍼 요청 유형

버퍼는 대개 PyObject_GetBuffer()를 통해 제공하는(exporting) 객체로 버퍼 요청을 보내서 얻습니다. 메모리의 논리적 구조의 복잡성이 크게 다를 수 있으므로, 소비자는 처리할 수 있는 정확한 버퍼 유형을 지정하기 위해 flags 인자를 사용합니다.

All Py_buffer fields are unambiguously defined by the request type.

요청 독립적 필드

다음 필드는 flags의 영향을 받지 않고 항상 올바른 값으로 채워져야 합니다: obj, buf, len, itemsize, ndim.

readonly, format

PyBUF_WRITABLE

readonly 필드를 제어합니다. 설정되면, 제공자는 반드시 쓰기 가능한 버퍼를 제공하거나 실패를 보고해야 합니다. 그렇지 않으면, 제공자는 읽기 전용 버퍼나 쓰기 가능 버퍼를 제공할 수 있지만, 모든 소비자에 대해 일관성을 유지해야 합니다.

PyBUF_FORMAT

format 필드를 제어합니다. 설정되면, 이 필드를 올바르게 채워야 합니다. 그렇지 않으면, 이 필드는 반드시 NULL 이어야 합니다.

PyBUF_WRITABLE은 다음 섹션의 모든 플래그와 | 될 수 있습니다. PyBUF_SIMPLE이 0으로 정의되므로, PyBUF_WRITABLE은 독립형 플래그로 사용되어 간단한 쓰기 가능한 버퍼를 요청할 수 있습니다.

PyBUF_FORMAT은 PyBUF_SIMPLE을 제외한 임의의 플래그와 | 될 수 있습니다. PyBUF_SIMPLE은 이미 형식 B(부호 없는 바이트)를 의미합니다.

shape, strides, suboffsets

메모리의 논리 구조를 제어하는 플래그는 복잡도가 감소하는 순서로 나열됩니다. 각 플래그는 그 아래에 있는 플래그의 모든 비트를 포함합니다.

요청	shape	strides	suboffsets
PyBUF_INDIRECT	yes	yes	필요하면
PyBUF_STRIDES	yes	yes	NULL
PyBUF_ND	yes	NULL	NULL
PyBUF_SIMPLE	NULL	NULL	NULL

연속성 요청

C 나 포트란 연속성을 명시적으로 요청할 수 있는데, 스트라이드 정보를 포함하기도 그렇지 않기도 합니다. 스트라이드 정보가 없으면, 버퍼는 C-연속이어야 합니다.

요청	shape	strides	suboffsets	연속성
PyBUF_C_CONTIGUOUS	yes	yes	NULL	C
PyBUF_F_CONTIGUOUS	yes	yes	NULL	F
PyBUF_ANY_CONTIGUOUS	yes	yes	NULL	C 또는 F
PyBUF_ND	yes	NULL	NULL	C

복합 요청

모든 가능한 요청은 앞 절의 플래그 조합에 의해 완전히 정의됩니다. 편의상, 버퍼 프로토콜은 자주 사용되는 조합을 단일 플래그로 제공합니다.

다음 표에서 U는 정의되지 않은 연속성을 나타냅니다. 소비자는 연속성을 판단하기 위해 PyBuffer_IsContiguous()를 호출해야 합니다.

요청	shape	strides	suboffsets	연속성	readonly	format
PyBUF_FULL	yes	yes	필요하면	U	0	yes
PyBUF_FULL_RO	yes	yes	필요하면	U	1 또는 0	yes
PyBUF_RECORDS	yes	yes	NULL	U	0	yes
PyBUF_RECORDS_RO	yes	yes	NULL	U	1 또는 0	yes
PyBUF_STRIDED	yes	yes	NULL	U	0	NULL
PyBUF_STRIDED_RO	yes	yes	NULL	U	1 또는 0	NULL
PyBUF_CONTIG	yes	NULL	NULL	C	0	NULL
PyBUF_CONTIG_RO	yes	NULL	NULL	C	1 또는 0	NULL

복잡한 배열

NumPy-스타일: shape과 strides

NumPy 스타일 배열의 논리적 구조는 itemsize, ndim, shape 및 strides로 정의됩니다.

ndim == 0이면, buf가 가리키는 메모리 위치가 itemsize 크기의 스칼라로 해석됩니다. 이 경우, shape 과 strides는 모두 NULL입니다.

strides가 NULL이면, 배열은 표준 n-차원 C 배열로 해석됩니다. 그렇지 않으면, 소비자는 다음과 같이 n-차원 배열에 액세스해야 합니다:

ptr = (char *)buf + indices[0] * strides[0] + ... + indices[n-1] * strides[n-1];
item = *((typeof(item) *)ptr);

위에서 언급했듯이, buf는 실제 메모리 블록 내의 모든 위치를 가리킬 수 있습니다. 제공자(exporter)는 이 함수로 버퍼의 유효성을 검사 할 수 있습니다:

def verify_structure(memlen, itemsize, ndim, shape, strides, offset):
    """Verify that the parameters represent a valid array within
       the bounds of the allocated memory:
           char *mem: start of the physical memory block
           memlen: length of the physical memory block
           offset: (char *)buf - mem
    """
    if offset % itemsize:
        return False
    if offset < 0 or offset+itemsize > memlen:
        return False
    if any(v % itemsize for v in strides):
        return False

    if ndim <= 0:
        return ndim == 0 and not shape and not strides
    if 0 in shape:
        return True

    imin = sum(strides[j]*(shape[j]-1) for j in range(ndim)
               if strides[j] <= 0)
    imax = sum(strides[j]*(shape[j]-1) for j in range(ndim)
               if strides[j] > 0)

    return 0 <= offset+imin and offset+imax+itemsize <= memlen

PIL-스타일: shape, strides 및 suboffsets

일반 항목 외에도, PIL 스타일 배열에는 차원의 다음 요소를 가져오기 위해 따라야 하는 포인터가 포함될 수 있습니다. 예를 들어, 일반 3-차원 C 배열 char v[2][2][3]는 2개의 2-차원 배열을 가리키는 2개의 포인터 배열로 볼 수도 있습니다: char (*v[2])[2][3]. suboffsets 표현에서, 이 두 포인터는 buf의 시작 부분에 임베드 될 수 있는데, 메모리의 어느 위치 에나 배치될 수 있는 두 개의 char x[2][3] 배열을 가리킵니다.

다음은 NULL이 아닌 strides와 suboffsets가 있을 때, N-차원 인덱스가 가리키는 N-차원 배열의 요소에 대한 포인터를 반환하는 함수입니다:

void *get_item_pointer(int ndim, void *buf, Py_ssize_t *strides,
                       Py_ssize_t *suboffsets, Py_ssize_t *indices) {
    char *pointer = (char*)buf;
    int i;
    for (i = 0; i < ndim; i++) {
        pointer += strides[i] * indices[i];
        if (suboffsets[i] >=0 ) {
            pointer = *((char**)pointer) + suboffsets[i];
        }
    }
    return (void*)pointer;
}

버퍼 관련 함수

int PyObject_CheckBuffer(PyObject *obj)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

obj가 버퍼 인터페이스를 지원하면 1을 반환하고, 그렇지 않으면 0을 반환합니다. 1이 반환될 때, PyObject_GetBuffer()가 성공할 것이라고 보장하지는 않습니다. 이 함수는 항상 성공합니다.

int PyObject_GetBuffer(PyObject *exporter, Py_buffer *view, int flags)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

Send a request to exporter to fill in view as specified by flags. If the exporter cannot provide a buffer of the exact type, it MUST raise BufferError, set view->obj to NULL and return -1.

성공하면, view를 채우고, view->obj를 exporter에 대한 새 참조로 설정하고, 0을 반환합니다. 요청을 단일 객체로 리디렉션하는 연결된(chained) 버퍼 공급자의 경우, view->obj는 exporter 대신 이 객체를 참조할 수 있습니다 (버퍼 객체 구조체를 보세요).

PyObject_GetBuffer()에 대한 성공적인 호출은 PyBuffer_Release()에 대한 호출과 쌍을 이루어야 합니다, malloc()과 free()와 유사합니다. 따라서, 소비자가 버퍼로 작업한 후에는, PyBuffer_Release()를 정확히 한 번 호출해야 합니다.

void PyBuffer_Release(Py_buffer *view)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

Release the buffer view and release the strong reference (i.e. decrement the reference count) to the view’s supporting object, view->obj. This function MUST be called when the buffer is no longer being used, otherwise reference leaks may occur.

PyObject_GetBuffer()를 통해 얻지 않은 버퍼에 이 함수를 호출하는 것은 에러입니다.

Py_ssize_t PyBuffer_SizeFromFormat(const char *format)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

Return the implied itemsize from format. On error, raise an exception and return -1.

버전 3.9에 추가.

int PyBuffer_IsContiguous(const Py_buffer *view, char order)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

view로 정의된 메모리가 C 스타일(order가 'C')이나 포트란 스타일(order가 'F') 연속이거나 둘 중 하나(order가 'A')면 1을 반환합니다. 그렇지 않으면 0을 반환합니다. 이 함수는 항상 성공합니다.

void *PyBuffer_GetPointer(const Py_buffer *view, const Py_ssize_t *indices)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

주어진 view 내부의 indices가 가리키는 메모리 영역을 가져옵니다. indices는 view->ndim 인덱스의 배열을 가리켜야 합니다.

int PyBuffer_FromContiguous(const Py_buffer *view, const void *buf, Py_ssize_t len, char fort)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

buf에 있는 연속된 len 바이트를 view로 복사합니다. fort는 'C' 또는 'F'(C 스타일 또는 포트란 스타일 순서)일 수 있습니다. 성공하면 0이 반환되고, 에러가 있으면 -1이 반환됩니다.

int PyBuffer_ToContiguous(void *buf, const Py_buffer *src, Py_ssize_t len, char order)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

src에 있는 len 바이트를 buf에 연속 표현으로 복사합니다. order는 'C' 또는 'F' 또는 'A'(C 스타일 또는 포트란 스타일 순서 또는 둘 중 하나)일 수 있습니다. 성공하면 0이 반환되고, 에러가 있으면 -1이 반환됩니다.

이 함수는 len != src->len이면 실패합니다.

int PyObject_CopyData(PyObject *dest, PyObject *src)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

Copy data from src to dest buffer. Can convert between C-style and or Fortran-style buffers.

0 is returned on success, -1 on error.

void PyBuffer_FillContiguousStrides(int ndims, Py_ssize_t *shape, Py_ssize_t *strides, int itemsize, char order)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

strides 배열을 주어진 요소당 바이트 수와 주어진 shape 으로 연속 (order가 'C'면 C 스타일, order가 'F'면 포트란 스타일) 배열의 바이트 스트라이드로 채웁니다.

int PyBuffer_FillInfo(Py_buffer *view, PyObject *exporter, void *buf, Py_ssize_t len, int readonly, int flags)

Part of the Stable ABI since version 3.11.

readonly에 따라 쓰기 가능성이 설정된 len 크기의 buf를 노출하려는 제공자(exporter)에 대한 버퍼 요청을 처리합니다. buf는 부호 없는 바이트의 시퀀스로 해석됩니다.

flags 인자는 요청 유형을 나타냅니다. 이 함수는 buf가 읽기 전용으로 지정되고 PyBUF_WRITABLE이 flags에 설정되어 있지 않으면, 항상 플래그가 지정하는 대로 view를 채웁니다.

On success, set view->obj to a new reference to exporter and return 0. Otherwise, raise BufferError, set view->obj to NULL and return -1;

이 함수가 getbufferproc의 일부로 사용되면, exporter가 제공하는(exporting) 객체로 설정되어야 하고, flags는 수정되지 않은 채로 전달되어야 합니다. 그렇지 않으면 exporter가 NULL이어야 합니다.