Python的struct模块提供了在Python值和C结构体之间进行转换的功能。它用于处理存储在文件或网络连接中的二进制数据，特别适用于处理二进制文件格式、网络协议和与其他语言编写的程序交互。

使用struct模块，您可以：

• 将Python数据打包成二进制格式
• 从二进制数据中解包出Python值
• 处理字节顺序（大端、小端）
• 计算二进制数据结构的大小

pack(fmt, v1, v2, ...)

将Python值打包成二进制字符串（Python字节对象）。

import struct

# 打包一个整数和两个浮点数
packed_data = struct.pack('i f f', 42, 3.14, 2.718)
print(packed_data)  # 输出：b'*\x00\x00\x00\xc3\xf5H@\xb6\xf3\x1d@'

unpack(fmt, buffer)

从二进制数据中解包出Python值。

# 解包之前打包的数据
unpacked_data = struct.unpack('i f f', packed_data)
print(unpacked_data)  # 输出：(42, 3.140000104904175, 2.7179999351501465)

calcsize(fmt)

计算给定格式字符串对应的二进制数据大小（字节数）。

size = struct.calcsize('i f f')
print(f"结构体大小: {size} 字节")  # 输出：结构体大小: 12 字节

格式字符串由两部分组成：字节顺序指示符和类型格式字符。

字节顺序、大小和对齐方式

常用格式字符

import struct

# 定义数据
data = (1, 2.5, b'OK')

# 打包数据 (小端顺序: 整数, 浮点数, 4字节字符串)
fmt = '< i f 4s'
packed = struct.pack(fmt, data[0], data[1], data[2])

# 解包数据
unpacked = struct.unpack(fmt, packed)

print(f"原始数据: {data}")
print(f"打包后: {packed}")
print(f"解包后: {unpacked}")

import struct

# 模拟一个PNG文件头
png_header = b'\x89PNG\r\n\x1a\n' + struct.pack('>II', 13, 0x49484452)

# 解析PNG文件头
signature = png_header[0:8]
chunk_length = struct.unpack('>I', png_header[8:12])[0]
chunk_type = png_header[12:16].decode('ascii')

print(f"签名: {signature}")
print(f"块长度: {chunk_length}")
print(f"块类型: {chunk_type}")

处理复杂数据结构

import struct

# 定义复杂数据结构
# 格式: 网络字节序, 无符号短整型, 双精度浮点数, 10字节字符串, 布尔值
fmt = '! H d 10s ?'

# 创建数据
values = (500, 3.1415926535, b'Python', True)

# 打包数据
packed_data = struct.pack(fmt, *values)
print(f"打包后的数据 ({len(packed_data)} 字节): {packed_data}")

# 解包数据
unpacked = struct.unpack(fmt, packed_data)
print(f"解包后的数据: {unpacked}")

• 字节顺序：网络传输和跨平台应用应使用大端('!'或'>')或明确指定字节顺序
• 数据对齐：C结构体可能有填充字节，使用标准大小和本机顺序时需注意
• 字符串处理：'s'格式需要指定长度，打包时字符串会被截断或填充
• 大小端差异：不同架构处理器可能使用不同字节顺序
• 错误处理：数据长度不匹配会引发struct.error异常
• 浮点数精度：Python的float是双精度，但打包为单精度会损失精度

• 网络编程：打包/解包网络协议数据包
• 文件格式处理：读写二进制文件格式(如图像、音频、视频)
• 硬件交互：处理来自传感器和硬件的二进制数据
• 跨语言通信：与C/C++程序交换数据
• 数据序列化：自定义高效的二进制数据序列化格式
• 数据库存储：紧凑存储结构化数据