버퍼 프로토콜

파이썬에서 사용할 수 있는 어떤 객체는 하부 메모리 배열 또는 버퍼에 대한 액세스를 감쌉니다. 이러한 객체에는 내장 bytesbytearray, 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).

bytesbytearray와 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.

버퍼 인터페이스의 소비자 예는 파일 객체의 write() 메서드입니다: 버퍼 인터페이스를 통해 일련의 바이트를 내보낼 수 있는 모든 객체는 파일에 기록될 수 있습니다. write()가 전달된 객체의 내부 내용에 대한 읽기 전용 액세스만 필요하지만, readinto()와 같은 다른 메서드는 인자의 내용에 쓰기 액세스가 필요합니다. 버퍼 인터페이스는 객체가 읽기-쓰기와 읽기 전용 버퍼를 선택적으로 허용하거나 거부할 수 있도록 합니다.

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

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.

Py_buffer
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.

void *obj

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

As a special case, for temporary buffers that are wrapped by PyMemoryView_FromBuffer() or PyBuffer_FillInfo() this field is NULL. In general, exporting objects MUST NOT use this scheme.

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

Item size in bytes of a single element. Same as the value of struct.calcsize() called on non-NULL format values.

Important exception: If a consumer requests a buffer without the PyBUF_FORMAT flag, format will be set to NULL, but itemsize still has the value for the original format.

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

If shape is NULL as a result of a PyBUF_SIMPLE or a PyBUF_WRITABLE request, the consumer must disregard itemsize and assume itemsize == 1.

const char *format

A NUL terminated string in struct module style syntax describing the contents of a single item. If this is NULL, "B" (unsigned bytes) is assumed.

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.

매크로 PyBUF_MAX_NDIM는 최대 차원 수를 64로 제한합니다. 제공자는 이 제한을 존중해야 하며, 다차원 버퍼의 소비자는 PyBUF_MAX_NDIM 차원까지 처리할 수 있어야 합니다.

Py_ssize_t *shape

n-차원 배열로 메모리의 모양을 나타내는 길이 ndimPy_ssize_t 배열. shape[0] * ... * shape[ndim-1] * itemsizelen과 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 ndimPy_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 ndimPy_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).

If all suboffsets are negative (i.e. no de-referencing is needed), then this field must be NULL (the default value).

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.

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.

모든 Py_buffer 필드는 요청 유형에 의해 모호하지 않게 정의됩니다.

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

Controls the format field. If set, this field MUST be filled in correctly. Otherwise, this field MUST be NULL.

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_FORMATPyBUF_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, shapestrides로 정의됩니다.

If ndim == 0, the memory location pointed to by buf is interpreted as a scalar of size itemsize. In that case, both shape and strides are NULL.

If strides is NULL, the array is interpreted as a standard n-dimensional C-array. Otherwise, the consumer must access an n-dimensional array as follows:

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.

Here is a function that returns a pointer to the element in an N-D array pointed to by an N-dimensional index when there are both non-NULL strides and suboffsets:

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;
}