代码收藏家 Python struct.pack()函数（将Python数据转换为字节串，便于二进制数据的文件存储和网络传输）（格式字符串）（网络字节序、大端序、小端序、序列化）＞B B H H
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Python struct.pack() 函数详解
简介
struct.pack() 是 Python 标准库中 struct 模块的一个函数，主要用于将 Python 数据转换为字节串，这些字节串符合特定的格式，便于二进制数据的存储和网络传输。此功能在处理网络通信和二进制文件时尤为重要。
功能原理
struct.pack() 函数通过格式字符串指定预期的结构，按照指定格式将 Python 数据（如数字、字符串、布尔值等）打包成字节串。格式字符串为一系列的格式字符，每个字符代表一种数据类型，同时决定了数据在编码后的二进制表示。
格式字符
下表列出了一些常用的格式字符，以及它们对应的数据类型和字节大小：
| 格式字符 | 数据类型 | 标准大小 |
|---|---|---|
b |
signed char | 1 |
B |
unsigned char | 1 |
h |
short | 2 |
H |
unsigned short | 2 |
i |
int | 4 |
I |
unsigned int | 4 |
f |
float | 4 |
d |
double | 8 |
s |
char[] | 1 |
常见用途
1. 网络通信：在网络通信中，数据需要被序列化为字节串才能进行传输。struct.pack() 提供了一种方便的方式来将各种数据类型转换成字节串。
2. 文件存储：在写入二进制文件时，可以使用 struct.pack() 将需要存储的数据转换为字节串。
示例代码
以下是一些 struct.pack() 的基本用法示例，展示如何将不同类型的数据打包成字节串。
打包整数
import struct
# 打包一个整数
result = struct.pack('i', 1024)
print(result) # 输出：b'\x00\x04\x00\x00'（在小端字节序的系统中）
打包浮点数
示例
# 打包一个浮点数
result = struct.pack('f', 3.14)
print(result) # 输出类似：b'\xc3\xf5H@'（具体输出可能因系统而异）
解释
输出结果是以16进制表示的二进制数据。在Python中，当你使用
struct.pack()函数将数据（如浮点数）打包成字节串时，返回的字节串中的每个字节会以16进制的形式显示，每对16进制数字代表一个字节。例如，b'\xc3\xf5H@'中：\xc3表示一个字节，16进制的C3是它的值。\xf5也是一个字节，16进制的F5是它的值。H和@是这个字节串可打印字符的直接显示。当字节的值在ASCII可打印字符的范围内（0x20到0x7E），它们就以字符形式显示。这种表示方式允许你直观地看到数据在内存中的二进制表示，这对于调试和处理需要精确数据表示的应用（如网络通信或文件格式定义）非常有用。
理解字节串
b'\xc3\xf5H@'如何代表浮点数3.14需要涉及到浮点数在计算机中的存储方式，具体为 IEEE 754
标准。这个标准定义了浮点数的二进制表示格式，其中单精度（float，通常占用4字节）的浮点数的布局如下：符号位：1位，决定数值的正负。 指数位：8位，决定数值的大小范围。 尾数位：23位，存储实际数字信息。 将
3.14转换为二进制格式时，计算机会按照上述规则将其转换成对应的二进制序列。在大多数系统中（假定使用 IEEE 754
标准和小端字节序），浮点数3.14的二进制表示大致过程如下：
将3.14转换为IEEE 754格式的二进制表示：
- 3.14的二进制近似表示为
11.00100011110101110000101（这里只显示了部分尾数位，实际上有更多）。- 将这个二进制数标准化后，得到
1.100100011110101110000101 x 2^1。- 符号位为0（因为是正数）。
- 指数位为
1 + 127 = 128（127是偏移量），二进制表示为10000000。- 尾数位为
100100011110101110000101（忽略前面的隐含的1）。整合符号位、指数位和尾数位：
- 组合成：
0 | 10000000 | 100100011110101110000101。转换为十六进制：
- 这个32位的二进制数转换为十六进制，通常你会得到类似
4048F5C3的形式，但实际上具体值会根据处理器架构的不同而略有不同。在小端序架构中，字节顺序会反转，所以可能显示为C3F54840。在Python中的显示：
- 在Python中，使用
struct.pack('f', 3.14)打包时，默认使用小端序，因此十六进制的字节顺序可能显示为b'\xc3\xf5H@'。理解这个过程需要一定的底层二进制和内存表示知识。每个步骤中的具体值和表示可能根据使用的系统和编程环境（如编译器或解释器的具体实现）略有不同。
打包多种数据类型
# 打包多种数据类型
result = struct.pack('iif', 1024, 2048, 3.14)
print(result) # 输出类似：b'\x00\x04\x00\x00\x00\x08\x00\x00\xc3\xf5H@'
高级应用
字节对齐和填充
在打包结构体时，有时需要对齐字节以符合特定的内存对齐要求。struct.pack() 通过在格式字符串前加上对齐符，可以实现这一功能。
# 4字节对齐
result = struct.pack('iif', 1024, 2048, 3.14)
print(result) # 输出将根据对齐符而可能不同
使用网络字节序
网络传输时常常需要数据以网络字节序（大端序）进行序列化。可以通过在格式字符串前加 ! 实现这一点。
# 使用网络字节序
result = struct.pack('!iif', 1024, 2048, 3.14)
print(result) # 输出字节序为大端序
结论
struct.pack() 是一个强大的工具，适用于需要数据打包为二进制格式的多种场景。通过合理使用格式字符和对齐方式，可以有效地处理各种数据类型的序列化问题。
其他示例
示例1：ModbusRTU报文组包>B B H H
def build_request_06(self, device_id: int, start_address: int, value: int) -> bytes:
"""
构建写单个寄存器（功能码 06）的 Modbus RTU 请求。
Args:
device_id (int): 设备 ID。
start_address (int): 起始地址。
value (int): 寄存器的值。
Returns:
bytes: 完整的 Modbus RTU 请求数据，包括 CRC 校验。
"""
header_format = '>B B H H'
header = struct.pack(header_format,
device_id,
6,
start_address,
value)
request = header
request += self.crc16(request)
return request
解释：
在Python的
struct.pack函数中，字符串'>B B H H'用于定义如何将数据转换为字节。这个格式字符串包含两部分：字节顺序/对齐和类型代码。下面解释这个字符串中的每一个部分：
>：这个符号代表 “big-endian” 字节顺序。big-endian 是一种在内存中排列多字节数据类型（如整数、浮点数）的方法，其中最重要的字节（最高位字节）存储在最低的内存地址上。这种格式在网络通信中非常常见，因为它是网络传输标准的一部分。
B：表示一个无符号字符（unsigned char），占用1个字节。在这个上下文中，B用于表示单字节的数值，如设备 ID 或功能码。
H：表示一个无符号短整数（unsigned short），占用2个字节。在这里，它用于表示需要更多字节（如两个）的数值，例如起始地址和寄存器的值。因此，当你看到
'>B B H H'时，它指的是：第一个 B：设备ID，1个字节第二个 B：功能码，1个字节第一个 H：起始地址，2个字节第二个 H：寄存器的值，2个字节这种格式确保了当你构建一个Modbus RTU请求时，各个部分都将按照预期的大小和顺序被正确地打包成字节流。
作者：Dontla
