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struct — Interpreta bytes como paquetes de datos binarios

Código fuente: Lib/struct.py


Este módulo realiza conversiones entre valores de Python y estructuras C representadas como objetos bytes de Python. Se puede utilizar para el tratamiento de datos binarios almacenados en archivos o desde conexiones de red, entre otras fuentes. Utiliza Cadenas de Formato como descripciones compactas del diseño de las estructuras C y la conversión prevista a/desde valores de Python.

Nota

Por defecto, el resultado de empaquetar una estructura C determinada incluye bytes de relleno para mantener la alineación adecuada para los tipos correspondientes en C; del mismo modo, la alineación se tiene en cuenta al desempaquetar. Este comportamiento se elige para que los bytes de una estructura empaquetada se correspondan exactamente con el diseño en memoria de la estructura C correspondiente. Para tratar formatos de datos que sean independientes de la plataforma u omitir bytes de relleno implícitos, utiliza el tamaño y la alineación estándar en lugar del nativo: ver Orden de Bytes, Tamaño y Alineación para obtener más información.

Varias funciones struct (y métodos de Struct) toman un argumento buffer. Esto hace referencia a los objetos que implementan Protocolo Búfer y proporcionan un búfer de lectura o de lectura/escritura. Los tipos más comunes utilizados para ese propósito son bytes y bytearray, pero muchos otros tipos que se pueden ver como una lista de bytes implementan el protocolo de búfer, para que se puedan leer/rellenar sin necesidad de copiar a partir de un objeto bytes.

Funciones y Excepciones

El módulo define la siguiente excepción y funciones:

exception struct.error

Excepción lanzada en varias ocasiones; el argumento es una string que describe lo que está mal.

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

Retorna un objeto bytes que contiene los valores v1, v2, … empaquetado de acuerdo con la cadena de formato format. Los argumentos deben coincidir exactamente con los valores requeridos por el formato.

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

Empaqueta los valores v1, v2, … de acuerdo con la cadena de formato format y escribe los bytes empaquetados en el búfer de escritura buffer comenzando en la posición offset. Nota: offset es un argumento obligatorio.

struct.unpack(format, buffer)

Desempaqueta del búfer buffer (normalmente empaquetado por pack(format, ...)) según la cadena de formato format. El resultado es una tupla incluso si contiene un solo elemento. El tamaño del búfer en bytes debe coincidir con el tamaño requerido por el formato, como se refleja en calcsize().

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

Desempaqueta del buffer comenzando en la posición offset, según la cadena de formato format. El resultado es una tupla incluso si contiene un solo elemento. El tamaño del búfer en bytes, comenzando en la posición offset, debe tener al menos el tamaño requerido por el formato, como se refleja en calcsize().

struct.iter_unpack(format, buffer)

Desempaqueta de manera iterativa desde el búfer buffer según la cadena de formato format. Esta función retorna un iterador que leerá fragmentos de igual tamaño desde el búfer hasta que se haya consumido todo su contenido. El tamaño del búfer en bytes debe ser un múltiplo del tamaño requerido por el formato, como se refleja en calcsize().

Cada iteración produce una tupla según lo especificado por la cadena de formato.

Nuevo en la versión 3.4.

struct.calcsize(format)

Retorna el tamaño de la estructura (y, por lo tanto, del objeto bytes generado por pack(format, ...)) correspondiente a la cadena de formato format.

Cadenas de Formato

Las cadenas de formato son el mecanismo utilizado para especificar el diseño esperado al empaquetar y desempaquetar datos. Se crean a partir de Formato de caracteres, que especifican el tipo de datos que se empaquetan/desempaquetan. Además, hay caracteres especiales para controlar Orden de Bytes, Tamaño y Alineación.

Orden de Bytes, Tamaño y Alineación

Por defecto, los tipos C se representan en el formato nativo y el orden de bytes de la máquina, y se alinean correctamente omitiendo bytes de relleno si es necesario (según las reglas utilizadas por el compilador de C).

Como alternativa, el primer carácter de la cadena de formato se puede utilizar para indicar el orden de bytes, el tamaño y la alineación de los datos empaquetados, según la tabla siguiente:

Caracter

Orden de Bytes

Tamaño

Alineamiento

@

nativo

nativo

nativo

=

nativo

standard

none

<

little-endian

standard

none

>

big-endian

standard

none

!

red (= big-endian)

standard

none

Si el primer carácter no es uno de estos, se asume '@'.

El orden de bytes nativo es big-endian o little-endian, dependiendo del sistema host. Por ejemplo, Intel x86 y AMD64 (x86-64) son little-endian; Motorola 68000 y PowerPC G5 son big-endian; ARM e Intel Itanium tienen la propiedad de trabajar con ambos formatos (middle-endian). Utiliza sys.byteorder para comprobar la endianness («extremidad») de su sistema.

El tamaño y la alineación nativos se determinan mediante la expresión sizeof del compilador de C. Esto siempre se combina con el orden de bytes nativo.

El tamaño estándar depende únicamente del carácter de formato; ver la tabla en la sección Formato de caracteres.

Nótese la diferencia entre '@' y '=' : ambos utilizan el orden de bytes nativo, pero el tamaño y la alineación de este último está estandarizado.

La forma '!' está disponible para aquellas pobres almas que afirman que no pueden recordar si el orden de bytes de red es big-endian o little-endian.

No hay manera de indicar el orden de bytes no nativo (forzar el intercambio de bytes); utiliza la elección adecuada de '<' o '>'.

Notas:

  1. El relleno solo se agrega automáticamente entre los miembros sucesivos de la estructura. No se agrega ningún relleno al principio o al final de la estructura codificada.

  2. No se añade ningún relleno cuando se utiliza el tamaño y la alineación no nativos, por ejemplo, con “<”, “>”, “=” y “!”.

  3. Para alinear el final de una estructura con el requisito de alineación de un tipo determinado, termina el formato con el código de ese tipo con un dos ceros. Véase Ejemplos.

Formato de caracteres

Los caracteres de formato tienen el siguiente significado; la conversión entre los valores C y Python debe ser obvia dados sus tipos. La columna “Tamaño estándar” hace referencia al tamaño del valor empaquetado en bytes cuando se utiliza el tamaño estándar; es decir, cuando la cadena de formato comienza con uno de '<', '>', '!' o '='. Cuando se utiliza el tamaño nativo, el tamaño del valor empaquetado depende de la plataforma.

Formato

Tipo C

Tipo Python

Tamaño estándar

Notas

x

byte de relleno

sin valor

c

char

bytes de longitud 1

1

b

signed char

integer

1

(1), (2)

B

unsigned char

integer

1

(2)

(2)

_Bool

bool

1

(1)

h

short

integer

2

(2)

H

unsigned short

integer

2

(2)

i

int

integer

4

(2)

I

unsigned int

integer

4

(2)

l

long

integer

4

(2)

L

unsigned long

integer

4

(2)

q

long long

integer

8

(2)

Q

unsigned long long

integer

8

(2)

n

ssize_t

integer

(3)

N

size_t

integer

(3)

e

(6)

float

2

(4)

f

float

float

4

(4)

d

double

float

8

(4)

s

char[]

bytes

p

char[]

bytes

P

void *

integer

(5)

Distinto en la versión 3.3: Soporte añadido para los formatos 'n' y 'N'.

Distinto en la versión 3.6: Soporte añadido para el formato 'e'.

Notas:

  1. El código de conversión '?' corresponde al tipo _Bool definido por C99. Si este tipo no está disponible, se simula mediante un char. En el modo estándar, siempre se representa mediante un byte.

  2. Al intentar empaquetar un no entero mediante cualquiera de los códigos de conversión de enteros, si el no entero tiene un método __index__(), se llama a ese método para convertir el argumento en un entero antes de empaquetar.

    Distinto en la versión 3.2: El uso del método __index__() para los no enteros es nuevo en 3.2.

  3. Los códigos de conversión 'n' y 'N' solo están disponibles para el tamaño nativo (seleccionado como predeterminado o con el carácter de orden de bytes '@'). Para el tamaño estándar, puedes usar cualquiera de los otros formatos enteros que se ajusten a tu aplicación.

  4. Para los códigos de conversión 'f', 'd' y 'e', la representación empaquetada utiliza el formato IEEE 754 binary32, binary64 o binary16 (para 'f', 'd' o 'e' respectivamente), independientemente del formato de punto flotante utilizado por la plataforma.

  5. El carácter de formato 'P' solo está disponible para el orden de bytes nativo (seleccionado como predeterminado o con el carácter de orden de bytes '@'). El carácter de orden de bytes '=' elige utilizar el orden little- o big-endian basado en el sistema host. El módulo struct no interpreta esto como un orden nativo, por lo que el formato 'P' no está disponible.

  6. El tipo IEEE 754 binary16 «half precision» se introdujo en la revisión de 2008 del IEEE 754 estándar. Tiene un bit de signo, un exponente de 5 bits y una precisión de 11 bits (con 10 bits almacenados explícitamente) y puede representar números entre aproximadamente 6.1e-05 y 6.5e+04 con total precisión. Este tipo no es ampliamente compatible con los compiladores de C: en un equipo típico, un unsigned short se puede usar para el almacenamiento, pero no para las operaciones matemáticas. Consulte la página de Wikipedia en el formato de punto flotante de media precisión para obtener más información.

Un carácter de formato puede ir precedido de un número de recuento que repite tantas veces el carácter. Por ejemplo, la cadena de formato '4h' significa exactamente lo mismo que 'hhhh' .

Se omiten los caracteres de espacio entre formatos; sin embargo, un recuento y su formato no deben contener espacios en blanco.

Para el carácter de formato 's', el recuento se interpreta como la longitud de los bytes, no un recuento de repetición como para los otros caracteres de formato; por ejemplo, '10s' significa una sola cadena de 10 bytes, mientras que '10c' significa 10 caracteres. Si no se da un recuento, el valor predeterminado es 1. Para el empaquetado, la cadena es truncada o rellenada con bytes nulos según corresponda para que se ajuste. Para desempaquetar, el objeto bytes resultante siempre tiene exactamente el número especificado de bytes. Como caso especial, '0s' significa una sola cadena vacía (mientras que '0c' significa 0 caracteres).

Al empaquetar un valor x utilizando uno de los formatos enteros ('b', 'B', 'h', 'H', 'i', 'I', 'l', 'L', 'q', 'Q'), si x está fuera de un rango válido para ese formato, entonces se lanza la excepción struct.error.

Distinto en la versión 3.1: En 3.0, algunos de los formatos enteros ajustaban los valores fuera de rango y lanza DeprecationWarning en lugar de struct.error.

El carácter de formato 'p' codifica una «cadena de Pascal», lo que significa una cadena de longitud variable corta almacenada en un número fijo de bytes, dado por el recuento. El primer byte almacenado es el valor mínimo entre la longitud de la cadena o 255. A continuación se encuentran los bytes de la cadena. Si la cadena pasada a pack() es demasiado larga (más larga que la cuenta menos 1), solo se almacenan los bytes iniciales count-1 de la cadena. Si la cadena es más corta que count-1, se rellena con bytes nulos para que se utilicen exactamente los bytes de recuento en total. Tenga en cuenta que para unpack(), el carácter de formato 'p' consume bytes count, pero que la cadena retornada nunca puede contener más de 255 bytes.

Para el carácter de formato '?', el valor retornado es True o False. Al empaquetar, se utiliza el valor verdadero del objeto del argumento. Se empaquetará 0 o 1 en la representación bool nativa o estándar, y cualquier valor distinto de cero será True al desempaquetar.

Ejemplos

Nota

Todos los ejemplos asumen un orden de bytes tamaño y alineación nativos, con una máquina big-endian.

Un ejemplo básico de empaquetado/desempaquetado de tres enteros:

>>> from struct import *
>>> pack('hhl', 1, 2, 3)
b'\x00\x01\x00\x02\x00\x00\x00\x03'
>>> unpack('hhl', b'\x00\x01\x00\x02\x00\x00\x00\x03')
(1, 2, 3)
>>> calcsize('hhl')
8

Los campos desempaquetados se pueden nombrar asignándolos a variables o ajustando el resultado en una tupla con nombre:

>>> 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)

El orden de los caracteres de formato puede tener un impacto en el tamaño ya que el relleno necesario para satisfacer los requisitos de alineación es diferente:

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

El siguiente formato 'llh0l' especifica dos bytes de relleno al final, suponiendo que los tipos longs están alineados en los límites de 4 bytes:

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

Esto solo funciona cuando el tamaño y la alineación nativos tienen efecto; el tamaño estándar y la alineación no imponen ninguna alineación.

Ver también

Módulo array

Almacenamiento binario empaquetado de datos homogéneos.

Módulo xdrlib

Empaquetar y desempaquetar datos XDR.

Clases

El módulo struct también define el siguiente tipo:

class struct.Struct(format)

Retorna un nuevo objeto Struct que escribe y lee datos binarios según la cadena de formato format. Crear un objeto Struct una vez y llamar a sus métodos es más eficaz que llamar a las funciones struct con el mismo formato, ya que la cadena de formato solo se compila una vez en ese caso.

Nota

Las versiones compiladas de las cadenas de formato más recientes pasadas a Struct y las funciones de nivel de módulo se almacenan en caché, por lo que los programas que utilizan solo unas pocas cadenas de formato no necesitan preocuparse por volver a usar una sola instancia Struct.

Los objetos Struct compilados admiten los siguientes métodos y atributos:

pack(v1, v2, ...)

Idéntico a la función pack(), utilizando el formato compilado. (len(result) será igual a size.)

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

Idéntico a la función pack_into(), utilizando el formato compilado.

unpack(buffer)

Idéntico a la función unpack(), utilizando el formato compilado. El tamaño del búfer en bytes debe ser igual a size.

unpack_from(buffer, offset=0)

Idéntico a la función unpack_from(), utilizando el formato compilado. El tamaño del búfer en bytes, comenzando en la posición offset, debe ser al menos size.

iter_unpack(buffer)

Idéntico a la función iter_unpack(), utilizando el formato compilado. El tamaño del búfer en bytes debe ser un múltiplo de size.

Nuevo en la versión 3.4.

format

Cadena de formato utilizada para construir este objeto Struct.

Distinto en la versión 3.7: El tipo de cadena de formato es ahora str en lugar de bytes.

size

El tamaño calculado de la estructura (y, por lo tanto, del objeto bytes generado por el método pack()) correspondiente a format.