struct – Интерпретация байтов как упакованных двоичных данных¶struct – Interpret bytes as packed binary data

Порядок байтов, размер и выравнивание¶Byte Order, Size, and Alignment

По умолчанию типы C представляются в собственном формате и порядке байтов машины и правильно выравниваются с пропуском выравнивающих байтов при необходимости (в соответствии с правилами, используемыми компилятором C). Такое поведение выбрано, чтобы байты упакованной структуры точно соответствовали расположению в памяти соответствующей структуры C. Выбор между использованием собственного порядка байтов и выравнивания или стандартных форматов зависит от приложения.

В качестве альтернативы, первый символ строки формата может использоваться для указания порядка байтов, размера и выравнивания упакованных данных, как показано в следующей таблице:

Если первый символ не один из этих, предполагается '@'.

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

Собственный порядок байт может быть big-endian или little-endian в зависимости от системы. Например, Intel x86, AMD64 (x86-64) и Apple M1 используют little-endian; IBM z и многие устаревшие архитектуры – big-endian. Используйте sys.byteorder для проверки порядка байт вашей системы.

Собственный размер и выравнивание определяются с помощью выражения sizeof компилятора C. Это всегда используется вместе с собственным порядком байт.

Стандартный размер зависит только от символа формата; см. таблицу в разделе Символы формата.

Обратите внимание на различие между '@' и '=': оба используют собственный порядок байт, но размер и выравнивание второго стандартизированы.

Форма '!' представляет сетевой порядок байт, который всегда является big-endian, как определено в IETF RFC 1700.

Нет способа указать несобственный порядок байт (принудительную перестановку байт); используйте соответствующий выбор из '<' или '>'.

Примечания:

1. Заполнение автоматически добавляется только между последовательными членами структуры. Начало и конец закодированной структуры не дополняются.

2. Заполнение не добавляется при использовании несобственного размера и выравнивания, например, с ‘<’, ‘>’, ‘=’ и ‘!’.

3. Чтобы выровнять конец структуры по требованию выравнивания конкретного типа, завершите формат кодом этого типа с нулевым количеством повторений. См. Примеры.

Символы формата¶Format Characters

Символы формата имеют следующее значение; преобразование между значениями C и Python должно быть очевидным, исходя из их типов. Столбец «Стандартный размер» указывает размер упакованного значения в байтах при использовании стандартного размера; то есть когда строка формата начинается с одного из '<', '>', '!' или '='. При использовании собственного размера размер упакованного значения зависит от платформы.

Примечания:

1. Код преобразования '?' соответствует типу _Bool, определённому стандартами C начиная с C99. В стандартном режиме он представляется одним байтом.

2. При попытке упаковать нецелое число с использованием любого из кодов преобразования целых чисел, если нецелое число имеет метод __index__(), то этот метод вызывается для преобразования аргумента в целое число перед упаковкой.

   Изменено в версии 3.2: Добавлено использование метода __index__() для нецелых чисел.

3. Коды преобразования 'n' и 'N' доступны только для родного размера (выбранного по умолчанию или с символом порядка байтов '@'). Для стандартного размера можно использовать любой из других целочисленных форматов, который подходит для приложения.

4. Для кодов преобразования 'f', 'd' и 'e' упакованное представление использует форматы IEEE 754 binary32, binary64 или binary16 (для 'f', 'd' или 'e' соответственно), независимо от формата чисел с плавающей запятой, используемого платформой.

5. Символ формата 'P' доступен только для родного порядка байтов (выбранного по умолчанию или с символом порядка байтов '@'). Символ порядка байтов '=' выбирает порядок little- или big-endian в зависимости от хост-системы. Модуль struct не интерпретирует это как родной порядок, поэтому формат 'P' недоступен.

6. Тип IEEE 754 binary16 «половинной точности» был введён в редакции 2008 года стандарта IEEE 754. Он имеет знаковый бит, 5-битную экспоненту и 11-битную точность (с 10 явно хранимыми битами), и может представлять числа от примерно 6.1e-05 до 6.5e+04 с полной точностью. Этот тип не широко поддерживается компиляторами C: он доступен как тип _Float16, если компилятор поддерживает Приложение H стандарта C23. На типичной машине для хранения можно использовать unsigned short, но не для математических операций. См. страницу Википедии о формате половинной точности с плавающей запятой для получения дополнительной информации.

7. При упаковке 'x' вставляет один нулевой байт (NUL).

8. Символ формата 'p' кодирует «строку Паскаля», то есть короткую строку переменной длины, хранящуюся в фиксированном количестве байтов, заданном счётчиком. Первым сохраняется байт длины строки или 255, в зависимости от того, что меньше. Затем идут байты строки. Если байтовая строка, переданная в pack(), слишком длинная (длиннее, чем счётчик минус 1), сохраняются только первые count-1 байтов строки. Если байтовая строка короче count-1, она дополняется нулевыми байтами, чтобы было использовано ровно count байтов. Обратите внимание, что для unpack() символ формата 'p' потребляет count байтов, но возвращаемый объект bytes никогда не может содержать более 255 байтов. При упаковке принимаются аргументы типов bytes и bytearray.

9. Для символа формата 's' счётчик интерпретируется как длина байтовой строки, а не как количество повторений, как для других символов формата; например, '10s' означает одну строку из 10 байт, отображаемую в или из одного байтового объекта Python, тогда как '10c' означает 10 отдельных однобайтовых символьных элементов (например, cccccccccc), отображаемых в или из десяти разных байтовых объектов Python. (См. Примеры для конкретной демонстрации различия.) Если счётчик не указан, по умолчанию он равен 1. При упаковке байтовая строка усекается или дополняется нулевыми байтами по необходимости, чтобы она подошла. При распаковке результирующий объект bytes всегда имеет ровно указанное количество байт. Как частный случай, '0s' означает одну пустую байтовую строку (в то время как '0c' означает 0 символов). При упаковке принимаются аргументы типов bytes и bytearray.

10. Для символов формата 'F' и 'D' упакованное представление использует форматы IEEE 754 binary32 и binary64 для компонентов комплексного числа, независимо от формата чисел с плавающей запятой, используемого платформой. Обратите внимание, что комплексные типы (F и D) доступны безусловно, несмотря на то, что комплексные типы являются опциональной возможностью в C. Как указано в стандарте C11, каждый комплексный тип представлен массивом из двух элементов C, содержащим соответственно действительную и мнимую части.

Символу формата может предшествовать целочисленный счётчик повторений. Например, строка формата '4h' означает то же самое, что и 'hhhh'.

Пробельные символы между форматами игнорируются; однако счётчик и его формат не должны содержать пробелов.

При упаковке значения x с использованием одного из целочисленных форматов ('b', 'B', 'h', 'H', 'i', 'I', 'l', 'L', 'q', 'Q'), если x выходит за допустимый диапазон для этого формата, то вызывается struct.error.

Для символа формата '?' возвращаемое значение – True или False. При упаковке используется истинностное значение объекта-аргумента. Будет упакован либо 0, либо 1 в родном или стандартном представлении bool, и любое ненулевое значение будет True при распаковке.

Примеры¶Examples

Упакуйте и распакуйте целые числа трёх разных размеров, используя порядок big endian:

>>> 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

Попытка упаковать целое число, которое слишком велико для заданного поля:

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

Демонстрация различия между символами формата 's' и 'c':

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

Распакованные поля можно именовать, присваивая их переменным или оборачивая результат в именованный 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)

Порядок символов формата может влиять на размер в собственном режиме, поскольку выравнивание подразумевается автоматически. В стандартном режиме пользователь отвечает за вставку любого необходимого выравнивания. Обратите внимание: в первом вызове pack ниже после упаковки '#' были добавлены три нулевых байта, чтобы выровнять следующее целое число по границе четырёх байт. В этом примере вывод был получен на машине с порядком от младшего к старшему:

>>> 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

Следующая строка формата 'llh0l' приводит к добавлению двух байт выравнивания в конце, если предполагается, что длинные целые платформы выровнены по 4-байтовым границам:

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

Собственные форматы¶Native Formats

При построении строк формата, имитирующих собственное размещение, компилятор и архитектура машины определяют порядок байт и выравнивание. В таких случаях следует использовать символ формата @, чтобы указать собственный порядок байт и размеры данных. Внутренние байты выравнивания обычно вставляются автоматически. Возможно, потребуется код формата с нулевым повторением в конце строки формата для округления до правильной байтовой границы для корректного выравнивания последовательных блоков данных.

Рассмотрим два простых примера (на 64-битной машине с порядком от младшего к старшему):

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

Данные не выравниваются по 8-байтовой границе в конце второй строки формата без использования дополнительного выравнивания. Код формата с нулевым повторением решает эту проблему:

>>> calcsize('@llh0l')
24

Код формата 'x' можно использовать для указания повторения, но для собственных форматов лучше использовать код с нулевым повторением, например '0l'.

По умолчанию используется собственный порядок байт и выравнивание, но лучше указывать это явно с помощью префиксного символа '@'.

Стандартные форматы¶Standard Formats

При обмене данными за пределами процесса, например по сети или при хранении, будьте точны. Укажите точный порядок байт, размер и выравнивание. Не предполагайте, что они совпадают с собственным порядком конкретной машины. Например, сетевой порядок байт – от старшего к младшему, в то время как многие популярные ЦП используют порядок от младшего к старшему. Явно определяя это, пользователю не нужно заботиться об особенностях платформы, на которой выполняется его код. Первым символом обычно должен быть < или > (или !). Выравнивание – ответственность программиста. Код формата с нулевым повторением не работает. Вместо этого пользователь должен явно добавлять байты выравнивания 'x' там, где это необходимо. Возвращаясь к примерам из предыдущего раздела:

>>> 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

Приведённые выше результаты (полученные на 64-битной машине) не гарантированно совпадут при выполнении на разных машинах. Например, примеры ниже были выполнены на 32-битной машине:

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