struct — Interpret bytes as packed binary data

Вихідний код: Lib/struct.py

This module converts between Python values and C structs represented as Python bytes objects. Compact format strings describe the intended conversions to/from Python values. The module’s functions and objects can be used for two largely distinct applications, data exchange with external sources (files or network connections), or data transfer between the Python application and the C layer.

Примітка

When no prefix character is given, native mode is the default. It packs or unpacks data based on the platform and compiler on which the Python interpreter was built. The result of packing a given C struct includes pad bytes which maintain proper alignment for the C types involved; similarly, alignment is taken into account when unpacking. In contrast, when communicating data between external sources, the programmer is responsible for defining byte ordering and padding between elements. See Порядок байтів, розмір і вирівнювання for details.

Several struct functions (and methods of Struct) take a buffer argument. This refers to objects that implement the Буферний протокол and provide either a readable or read-writable buffer. The most common types used for that purpose are bytes and bytearray, but many other types that can be viewed as an array of bytes implement the buffer protocol, so that they can be read/filled without additional copying from a bytes object.

Функції та винятки

Модуль визначає такі винятки та функції:

exception struct.error

Виняток, що виникає з різних приводів; аргумент - це рядок, що описує те, що є неправильним.

struct.pack(format, v1, v2, ...)

Повертає об’єкт bytes, що містить значення v1, v2, … упаковані відповідно до рядка формату format. Аргументи мають точно відповідати значенням, які вимагає формат.

struct.pack_into(format, buffer, offset, v1, v2, ...)

Упакуйте значення v1, v2, … відповідно до рядка формату format і запишіть упаковані байти в записуваний буфер buffer, починаючи з позиції offset. Зауважте, що offset є обов’язковим аргументом.

struct.unpack(format, buffer)

Розпакуйте з буфера buffer (імовірно запакованого pack(format, ...)) відповідно до рядка формату format. Результатом є кортеж, навіть якщо він містить рівно один елемент. Розмір буфера в байтах має відповідати розміру, який вимагає формат, як це відображається calcsize().

struct.unpack_from(format, /, buffer, offset=0)

Розпакуйте з buffer, починаючи з позиції offset, відповідно до рядка формату format. Результатом є кортеж, навіть якщо він містить рівно один елемент. Розмір буфера в байтах, починаючи з позиції offset, має бути принаймні розміром, який вимагається форматом, що відображається calcsize().

struct.iter_unpack(format, buffer)

Iteratively unpack from the buffer buffer according to the format string format. This function returns an iterator which will read equally sized chunks from the buffer until all its contents have been consumed. The buffer’s size in bytes must be a multiple of the size required by the format, as reflected by calcsize().

Кожна ітерація дає кортеж, як зазначено в рядку формату.

Added in version 3.4.

struct.calcsize(format)

Повертає розмір структури (і, отже, об’єкта bytes, створеного pack(format, ...)), що відповідає рядку формату format.

Форматувати рядки

Format strings describe the data layout when packing and unpacking data. They are built up from type codes, which specify the type of data being packed/unpacked. In addition, special characters control the byte order, size and alignment. Each format string consists of an optional prefix character which describes the overall properties of the data and one or more format characters which describe the actual data values and padding.

Порядок байтів, розмір і вирівнювання

By default, C types are represented in the machine’s native format and byte order, and properly aligned by skipping pad bytes if necessary (according to the rules used by the C compiler). This behavior is chosen so that the bytes of a packed struct correspond exactly to the memory layout of the corresponding C struct. Whether to use native byte ordering and padding or standard formats depends on the application.

Крім того, перший символ рядка формату можна використовувати для вказівки порядку байтів, розміру та вирівнювання упакованих даних згідно з наведеною нижче таблицею:

характер

Порядок байтів

Розмір

Вирівнювання

@

рідний

рідний

рідний

=

рідний

стандарт

немає

<

маленький байт

стандарт

немає

>

великий байт

стандарт

немає

!

мережа (= порядок байтів)

стандарт

немає

Якщо перший символ не є одним із цих, передбачається '@'.

Примітка

The number 1023 (0x3ff in hexadecimal) has the following byte representations:

  • 03 ff in big-endian (>)

  • ff 03 in little-endian (<)

Python example:

>>> import struct
>>> struct.pack('>h', 1023)
b'\x03\xff'
>>> struct.pack('<h', 1023)
b'\xff\x03'

Native byte order is big-endian or little-endian, depending on the host system. For example, Intel x86, AMD64 (x86-64), and Apple M1 are little-endian; IBM z and many legacy architectures are big-endian. Use sys.byteorder to check the endianness of your system.

Власний розмір і вирівнювання визначаються за допомогою виразу sizeof компілятора C. Це завжди поєднується з рідним порядком байтів.

Standard size depends only on the type code; see the table in the Type Codes section.

Зверніть увагу на різницю між '@' і '=': обидва використовують власний порядок байтів, але розмір і вирівнювання останнього стандартизовані.

Форма '!' представляє мережевий порядок байтів, який завжди є старшим байтом, як визначено в IETF RFC 1700.

Немає способу вказати невласний порядок байтів (примусова заміна байтів); використовуйте відповідний вибір ' <' or '> ''.

Примітки:

  1. Відступи автоматично додаються лише між послідовними елементами структури. Заповнення не додається на початку або в кінці закодованої структури.

  2. Під час використання невласного розміру та вирівнювання відступи не додаються, напр. з «<“, „>», «=» і «!».

  3. Щоб вирівняти кінець структури відповідно до вимог вирівнювання певного типу, завершіть формат кодом для цього типу з нульовою кількістю повторів. Див. Приклади.

Type Codes

Type codes (or format codes) have the following meaning; the conversion between C and Python values should be obvious given their types. The „Standard size“ column refers to the size of the packed value in bytes when using standard size; that is, when the format string starts with one of '<', '>', '!' or '='. When using native size, the size of the packed value is platform-dependent.

Формат

C Тип

Тип Python

Стандартний розмір

Примітки

x

pad byte

немає значення

(7)

c

char

байти довжиною 1

1

b

signed char

int

1

(2)

B

unsigned char

int

1

(2)

?

_Bool

bool

1

(1)

h

short

int

2

(2)

H

unsigned short

int

2

(2)

я

int

int

4

(2)

Я

unsigned int

int

4

(2)

l

long

int

4

(2)

L

unsigned long

int

4

(2)

q

long long

int

8

(2)

Q

unsigned long long

int

8

(2)

n

ssize_t

int

(2), (3)

N

size_t

int

(2), (3)

e

_Float16

плавати

2

(4), (6)

f

float

плавати

4

(4)

d

double

плавати

8

(4)

F

float complex

complex

8

(10)

D

double complex

complex

16

(10)

Zf

float complex

complex

8

(10)

Zd

double complex

complex

16

(10)

s

char[]

байтів

(9)

p

char[]

байтів

(8)

P

void*

int

(2), (5)

Змінено в версії 3.3: Додано підтримку форматів 'n' і 'N'.

Змінено в версії 3.6: Додано підтримку формату 'e''.

Змінено в версії 3.14: Added support for the 'F' and 'D' formats.

Змінено в версії 3.15: Added support for the 'Zf' and 'Zd' formats.

Дивись також

The array and ctypes modules, as well as third-party modules like numpy, use similar – but slightly different – type codes.

Примітки:

  1. The '?' conversion code corresponds to the _Bool type defined by C standards since C99. In standard mode, it is represented by one byte.

  2. When attempting to pack a non-integer using any of the integer conversion codes, if the non-integer has a __index__() method then that method is called to convert the argument to an integer before packing.

    Змінено в версії 3.2: Added use of the __index__() method for non-integers.

  3. Коди перетворення 'n' і 'N' доступні лише для рідного розміру (вибрано як типовий або з символом порядку байтів '@''). Для стандартного розміру ви можете використовувати будь-який з інших форматів цілих чисел, який підходить для вашої програми.

  4. Для кодів перетворення 'f', 'd' і 'e' упаковане представлення використовує формат IEEE 754 binary32, binary64 або binary16 (для 'f'' , 'd' або 'e' відповідно), незалежно від формату з плаваючою комою, який використовується платформою.

  5. The 'P' type code is only available for the native byte ordering (selected as the default or with the '@' byte order character). The byte order character '=' chooses to use little- or big-endian ordering based on the host system. The struct module does not interpret this as native ordering, so the 'P' format is not available.

  6. The IEEE 754 binary16 «half precision» type was introduced in the 2008 revision of the IEEE 754 standard. It has a sign bit, a 5-bit exponent and 11-bit precision (with 10 bits explicitly stored), and can represent numbers between approximately 6.1e-05 and 6.5e+04 at full precision. This type is not widely supported by C compilers: it’s available as _Float16 type, if the compiler supports the Annex H of the C23 standard. On a typical machine, an unsigned short can be used for storage, but not for math operations. See the Wikipedia page on the half-precision floating-point format for more information.

  7. When packing, 'x' inserts one NUL byte.

  8. The 'p' type code encodes a «Pascal string», meaning a short variable-length string stored in a fixed number of bytes, given by the count. The first byte stored is the length of the string, or 255, whichever is smaller. The bytes of the string follow. If the byte string passed in to pack() is too long (longer than the count minus 1), only the leading count-1 bytes of the string are stored. If the byte string is shorter than count-1, it is padded with null bytes so that exactly count bytes in all are used. Note that for unpack(), the 'p' type code consumes count bytes, but that the bytes object returned can never contain more than 255 bytes. When packing, arguments of types bytes and bytearray are accepted.

  9. For the 's' type code, the count is interpreted as the length of the byte string, not a repeat count like for the other type codes; for example, '10s' means a single 10-byte string mapping to or from a single Python byte string, while '10c' means 10 separate one byte character elements (e.g., cccccccccc) mapping to or from ten different Python byte objects. (See Приклади for a concrete demonstration of the difference.) If a count is not given, it defaults to 1. For packing, the byte string is truncated or padded with null bytes as appropriate to make it fit. For unpacking, the resulting bytes object always has exactly the specified number of bytes. As a special case, '0s' means a single, empty byte string (while '0c' means 0 characters). When packing, arguments of types bytes and bytearray are accepted.

  10. For the 'F' and 'D' type codes, the packed representation uses the IEEE 754 binary32 and binary64 format for components of the complex number, regardless of the floating-point format used by the platform. Note that complex types (F/Zf and D/Zd) are available unconditionally, despite complex types being an optional feature in C. As specified in the C11 standard, each complex type is represented by a two-element C array containing, respectively, the real and imaginary parts.

A type code may be preceded by an integral repeat count. For example, the format string '4h' means exactly the same as 'hhhh'.

Пробіли між форматами ігноруються; кількість і його формат не повинні містити пробіли.

Під час пакування значення x з використанням одного з цілочисельних форматів ('b', 'B', 'h', 'H', 'i', 'I', 'l', 'L', 'q', 'Q'), якщо x знаходиться за межами допустимого діапазону для цього формату, тоді виникає struct.error.

Змінено в версії 3.1: Раніше деякі цілочисельні формати обгортали значення поза діапазоном і викликали DeprecationWarning замість struct.error.

For the '?' type code, the return value is either True or False. When packing, the truth value of the argument object is used. Either 0 or 1 in the native or standard bool representation will be packed, and any non-zero value will be True when unpacking.

Приклади

Примітка

Native byte order examples (designated by the '@' format prefix or lack of any prefix character) may not match what the reader’s machine produces as that depends on the platform and compiler.

Pack and unpack integers of three different sizes, using big endian ordering:

>>> from struct import *
>>> pack(">bhl", 1, 2, 3)
b'\x01\x00\x02\x00\x00\x00\x03'
>>> unpack('>bhl', b'\x01\x00\x02\x00\x00\x00\x03')
(1, 2, 3)
>>> calcsize('>bhl')
7

Attempt to pack an integer which is too large for the defined field:

>>> pack(">h", 99999)
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
struct.error: 'h' format requires -32768 <= number <= 32767

Demonstrate the difference between 's' and 'c' format characters:

>>> pack("@ccc", b'1', b'2', b'3')
b'123'
>>> pack("@3s", b'123')
b'123'

Розпаковані поля можна назвати, призначивши їх змінним або загорнувши результат у іменований кортеж:

>>> 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._make(unpack('<10sHHb', record))
Student(name=b'raymond   ', serialnum=4658, school=264, gradelevel=8)

The ordering of type codes may have an impact on size in native mode since padding is implicit. In standard mode, the user is responsible for inserting any desired padding. Note in the first pack call below that three NUL bytes were added after the packed '#' to align the following integer on a four-byte boundary. In this example, the output was produced on a little endian machine:

>>> pack('@ci', b'#', 0x12131415)
b'#\x00\x00\x00\x15\x14\x13\x12'
>>> pack('@ic', 0x12131415, b'#')
b'\x15\x14\x13\x12#'
>>> calcsize('@ci')
8
>>> calcsize('@ic')
5

The following format 'llh0l' results in two pad bytes being added at the end, assuming the platform’s longs are aligned on 4-byte boundaries:

>>> pack('@llh0l', 1, 2, 3)
b'\x00\x00\x00\x01\x00\x00\x00\x02\x00\x03\x00\x00'

Дивись також

Модуль array

Упаковане двійкове сховище однорідних даних.

Модуль json

JSON encoder and decoder.

Модуль pickle

Python object serialization.

Applications

Two main applications for the struct module exist, data interchange between Python and C code within an application or another application compiled using the same compiler (native formats), and data interchange between applications using agreed upon data layout (standard formats). Generally speaking, the format strings constructed for these two domains are distinct.

Native Formats

When constructing format strings which mimic native layouts, the compiler and machine architecture determine byte ordering and padding. In such cases, the @ format character should be used to specify native byte ordering and data sizes. Internal pad bytes are normally inserted automatically. It is possible that a zero-repeat type code will be needed at the end of a format string to round up to the correct byte boundary for proper alignment of consecutive chunks of data.

Consider these two simple examples (on a 64-bit, little-endian machine):

>>> calcsize('@lhl')
24
>>> calcsize('@llh')
18

Data is not padded to an 8-byte boundary at the end of the second format string without the use of extra padding. A zero-repeat format code solves that problem:

>>> calcsize('@llh0l')
24

The 'x' type code can be used to specify the repeat, but for native formats it is better to use a zero-repeat format like '0l'.

By default, native byte ordering and alignment is used, but it is better to be explicit and use the '@' prefix character.

Standard Formats

When exchanging data beyond your process such as networking or storage, be precise. Specify the exact byte order, size, and alignment. Do not assume they match the native order of a particular machine. For example, network byte order is big-endian, while many popular CPUs are little-endian. By defining this explicitly, the user need not care about the specifics of the platform their code is running on. The first character should typically be < or > (or !). Padding is the responsibility of the programmer. The zero-repeat format character won’t work. Instead, the user must explicitly add 'x' pad bytes where needed. Revisiting the examples from the previous section, we have:

>>> calcsize('<qh6xq')
24
>>> pack('<qh6xq', 1, 2, 3) == pack('@lhl', 1, 2, 3)
True
>>> calcsize('@llh')
18
>>> pack('@llh', 1, 2, 3) == pack('<qqh', 1, 2, 3)
True
>>> calcsize('<qqh6x')
24
>>> calcsize('@llh0l')
24
>>> pack('@llh0l', 1, 2, 3) == pack('<qqh6x', 1, 2, 3)
True

The above results (executed on a 64-bit machine) aren’t guaranteed to match when executed on different machines. For example, the examples below were executed on a 32-bit machine:

>>> calcsize('<qqh6x')
24
>>> calcsize('@llh0l')
12
>>> pack('@llh0l', 1, 2, 3) == pack('<qqh6x', 1, 2, 3)
False

Класи

The struct module also defines the following type:

class struct.Struct(format)

Return a new Struct object which writes and reads binary data according to the format string format. Creating a Struct object once and calling its methods is more efficient than calling module-level functions with the same format since the format string is only compiled once.

Примітка

The compiled versions of the most recent format strings passed to the module-level functions are cached, so programs that use only a few format strings needn’t worry about reusing a single Struct instance.

Зкомпільовані об’єкти Struct підтримують наступні методи та атрибути:

pack(v1, v2, ...)

Ідентична функції pack(), використовуючи скомпільований формат. (len(result) дорівнюватиме size.)

pack_into(buffer, offset, v1, v2, ...)

Ідентична функції pack_into(), використовуючи скомпільований формат.

unpack(buffer)

Ідентична функції unpack(), використовуючи скомпільований формат. Розмір буфера в байтах має дорівнювати size.

unpack_from(buffer, offset=0)

Ідентична функції unpack_from(), використовуючи скомпільований формат. Розмір буфера в байтах, починаючи з позиції offset, має бути не менше size.

iter_unpack(buffer)

Ідентична функції iter_unpack(), використовуючи скомпільований формат. Розмір буфера в байтах має бути кратним size.

Added in version 3.4.

format

Рядок формату, який використовується для створення цього об’єкта Struct.

Змінено в версії 3.7: Тип рядка формату тепер str замість bytes.

size

Розрахований розмір структури (і, отже, об’єкта bytes, створеного методом pack()), що відповідає format.

Змінено в версії 3.13: The repr() of structs has changed. It is now:

>>> Struct('i')
Struct('i')