Python NumPy结构体数组定义、内存对齐与C语言交互详解

Python结构体数组

在C语言中，开发者可以使用struct关键字定义结构类型。结构体内的字段在内存中连续排列，且每个结构体实例占用的内存大小固定，这使得定义结构数组变得非常便捷。

与C语言类似，NumPy库也支持对这类结构数组进行高效操作。

只要NumPy中定义的结构类型与C语言中的定义保持一致，NumPy便能轻松读取C语言结构数组的二进制数据，并将其转换为NumPy的结构数组对象。

假设我们需要定义一个包含name、age和salary字段的结构数组。

在NumPy中，可以按照以下方式定义该结构：

import numpy as np
MyType=np.dtype({
    'names':['name','age','salary'],
    'formats':['S32','i','f']#必须加s，且S大写
})
a=np.array([("tang",23,130.2),("wang",22,100.2)],
dtype=MyType)
#或者Data=np.array([(‘zero',0.,0.)]*10,dtype=MyType) #创建Data[2]
#Date[0]['name']="tang"

首先，创建一个dtype对象persontype，利用其字典参数来描述结构类型的各个字段。

该字典包含两个关键字：names和formats。每个关键字对应的值都是一个列表。

names用于定义结构中的每个字段名称，而formats则定义每个字段的类型：

• S32表示32个字节的字符串类型。由于结构体中每个元素的大小必须固定，因此必须指定字符串的长度。
• i表示32位整数类型，等同于np.int32。
• f表示32位单精度浮点数类型，等同于np.float32。随后调用array函数创建数组，通过关键字参数dtype=MyType指定所创建数组的元素类型为结构MyType。运行上述程序后，可以在IPython中执行以下语句查看数组a的元素类型：

a.dtype

结果显示：

dtype([('name', 'S32'), ('age', '<i4'), ('salary', '<f4')])

这里展示了另一种描述结构类型的方法：一个包含多个元组的列表，其中形如(字段名, 类型描述)的元组描述了结构中的每个字段。类型描述前添加的'<字符用于描述字段值的字节顺序：

• <表示低位字节在前（小端序）。
• >表示高位字节在前（大端序）。

结构数组的存取方式与一般数组相同，通过下标可以获取其中的元素。需要注意的是，元素的值看起来像是元组，但实际上它是一个结构对象：

a[0]

结果显示：

(b'tang', 23, 130.2)

a[0].dtype

结果显示：

dtype([('name', 'S32'), ('age', '<i4'), ('salary', '<f4')])

a[0]是一个结构元素，它与数组a共享内存数据。因此，可以通过修改它的字段来改变原始数组中对应的字段值：

c=a[0]
c["name"]="Lian"#修改元素属性
a[0]["name"]

结果显示：

b'Lian'

结构体像字典一样，可以通过字符串下标获取其对应的字段值：

a[1]["name"]

结果显示：

b'wang'

我们不仅可以获取结构元素的某个字段，还可以直接获取结构数组的字段。它返回的是原始数组的视图，因此可以通过修改b[0]来改变a[0]['age']：

b=a[:]["salary"]#或者a["salary"]
b

结果显示：

array([130.2, 100.2], dtype=float32)

通过调用a.tostring或a.tofile方法，可以直接输出数组a的二进制形式：

a.tofile("test.bin")

内存对齐

C语言的结构体为了便于内存寻址，会自动添加一些填充字节，这被称为内存对齐。例如，如果将下面的name[32]改为name[30]，由于内存对齐问题，在name和age之间会填充两个字节，最终的结构体大小不会改变。

因此，如果NumPy中配置的内存大小不符合C语言的对齐规范，将会出现数据错位。为了解决这个问题，在创建dtype对象时，可以传递参数align=True，这样NumPy的结构数组的内存对齐方式就与C语言的结构体一致了。

#include <stdio.h>

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    float weight;
};

struct person p[2];

void main ()
{
    FILE *fp;
    int i;
    fp=fopen("test.bin","rb");
    fread(p, sizeof(struct person), 2, fp);
    fclose(fp);
    for(i=0;i<2;i++)
        printf("%s %d %f\n", p[i].name, p[i].age, p[i].weight);
    getchar();
}

使用下面的字典参数也可以定义结构类型，字典的关键字为结构中字段名，值为字段的类型描述。但由于字典的关键字没有顺序，因此字段的顺序需要在类型描述中给出。类型描述是一个元组，其第二个值给出字段的字节偏移量，例如age字段的偏移量为25个字节：

np.dtype({"name":('S25',0),"age":(np.uint8,25)})

结果显示：

dtype([('name', 'S25'), ('age', 'u1')])

Python自定义结构体

Python中没有专门定义结构体的方法，但可以使用class标记定义类来代替结构体：

其成员可以在构造函数__init__中定义。

具体方法如下：

class item:
    def __init__(self):
        self.name = ''     # 名称
        self.size = 10     # 尺寸
        self.list = []     # 列表

a = item() # 定义结构对象
a.name = 'cup'
a.size = 8
a.list.append('water')

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持本站。