《详细介绍Python使用struct处理二进制(pack和unpack用法)》
在Python中处理二进制数据是许多场景下的核心需求，例如网络通信、文件解析、硬件交互等。二进制数据以紧凑的字节形式存储，但直接操作字节流需要处理字节顺序、数据类型对齐等复杂问题。Python的`struct`模块提供了高效的解决方案，通过`pack`和`unpack`函数将Python基本数据类型与二进制字节相互转换，极大简化了二进制数据的处理流程。
一、struct模块基础
`struct`模块的核心功能是按照指定的格式将Python数据转换为C语言结构的二进制表示（`pack`），或从二进制数据中解析出Python对象（`unpack`）。其核心函数包括：
-
struct.pack(fmt, v1, v2, ...)：将Python值按格式`fmt`打包为字节对象 -
struct.unpack(fmt, buffer)：从字节对象`buffer`中按格式`fmt`解包为Python元组 -
struct.calcsize(fmt)：返回格式`fmt`对应的字节长度
1.1 格式字符串（Format String）
格式字符串由两部分组成：字节序标记和数据类型代码。例如：
'表示：
- `
- `i`：有符号整数（4字节）
- `i`：有符号整数（4字节）
- `h`：有符号短整型（2字节）
完整字节序标记：
- `@`：原生字节序（默认，依赖系统）
- `=`：原生字节序，标准大小
- `
- `>`：大端字节序（Big-endian）
- `!`：网络字节序（等同于`>`）
常用数据类型代码：
| 代码 | C类型 | Python类型 | 字节数 |
|---|---|---|---|
| x | 填充字节 | 无 | 1 |
| c | char | bytes（长度1） | 1 |
| b | signed char | 整数 | 1 |
| B | unsigned char | 整数 | 1 |
| ? | _Bool | 布尔值 | 1 |
| h | short | 整数 | 2 |
| H | unsigned short | 整数 | 2 |
| i | int | 整数 | 4 |
| I | unsigned int | 整数 | 4 |
| l | long | 整数 | 4 |
| L | unsigned long | 整数 | 4 |
| q | long long | 整数 | 8 |
| Q | unsigned long long | 整数 | 8 |
| f | float | 浮点数 | 4 |
| d | double | 浮点数 | 8 |
| s | char[] | bytes | 指定长度 |
| p | char[] | bytes | 指定长度+1（含终止符） |
| P | void * | 整数 | 与系统指针同大小 |
二、pack函数详解
`pack`函数将Python值转换为二进制字节。其语法为：
struct.pack(fmt, v1, v2, ...)2.1 基本用法
示例：打包两个整数和一个浮点数
import struct
data = struct.pack('解释：
- `
- 输出为12字节的二进制数据
2.2 处理字符串
打包字符串时需指定长度：
# 打包5字节字符串
packed = struct.pack('2.3 对齐与填充
某些架构要求数据按特定边界对齐。使用`@`或`=`可启用原生对齐：
# 原生对齐（可能包含填充字节）
packed = struct.pack('@i d', 1, 2.5)
print(len(packed)) # 输出12（4字节int + 4字节填充 + 8字节double）三、unpack函数详解
`unpack`函数将二进制字节解析为Python元组。其语法为：
struct.unpack(fmt, buffer)3.1 基本用法
示例：解包之前打包的数据
import struct
packed = b'\n\x00\x00\x00\x14\x00\x00\x00@\t\x1e\xb8'
unpacked = struct.unpack('3.2 处理变长数据
解包时需确保字节长度与格式匹配：
# 解包错误示例（字节长度不足）
try:
struct.unpack('3.3 动态格式字符串
可通过`calcsize`验证格式长度：
fmt = '四、高级应用场景
4.1 网络协议解析
解析TCP头部的简化示例：
import struct
# TCP头部格式（简化版）：源端口(2B)、目的端口(2B)、序列号(4B)
tcp_header = b'\x1f\x90\x08\x00\x12\x34\x56\x78'
src_port, dst_port, seq_num = struct.unpack('!HHI', tcp_header)
print(f"源端口: {src_port}, 目的端口: {dst_port}, 序列号: {seq_num}")
# 输出：源端口: 8080, 目的端口: 2048, 序列号: 3054198964.2 二进制文件读写
写入和读取自定义二进制文件：
# 写入文件
with open('data.bin', 'wb') as f:
packed = struct.pack('4.3 与数组模块结合
处理大量二进制数据时，可结合`array`模块提高效率：
import struct
import array
# 生成100个浮点数
floats = (i * 0.1 for i in range(100))
# 打包为二进制
packed = b''.join(struct.pack('五、常见问题与解决方案
5.1 字节序问题
不同系统可能使用不同字节序，网络通信中建议统一使用大端序：
# 明确指定网络字节序
data = struct.pack('!I', 0x12345678)
print(data) # 输出：b'\x124Vx'（大端序）5.2 浮点数精度
浮点数打包解包可能存在精度损失：
original = 3.141592653589793
packed = struct.pack('5.3 性能优化
对于大量数据，避免循环调用`pack`/`unpack`：
# 低效方式
results = []
for i in range(1000):
results.append(struct.pack('六、完整示例：自定义二进制协议
设计一个包含头部和数据的简单协议：
import struct
# 协议格式：
# 魔数(4B) | 版本(1B) | 类型(1B) | 数据长度(2B) | 数据(...)
PROTOCOL_FMT = '关键词：Python、struct模块、二进制处理、pack函数、unpack函数、格式字符串、字节序、网络协议、数据解析、性能优化
简介：本文详细介绍了Python中struct模块处理二进制数据的方法，重点讲解了pack和unpack函数的用法，包括格式字符串的组成、字节序控制、数据类型转换等核心概念。通过实际案例展示了在网络协议解析、二进制文件读写等场景中的应用，并提供了常见问题的解决方案和性能优化技巧。
