Pythonのstructモジュールでバイナリデータを扱う方法【pack/unpack徹底解説】

Python標準ライブラリのstructモジュールは、C言語の構造体（struct）とPythonのbytesオブジェクトとの間でデータを相互変換するための強力な機能を提供します。バイナリファイルの読み書きやネットワークプロトコルの実装など、低レベルのデータ操作が必要な場面で活躍するモジュールです。

structモジュールでは、モジュールレベルの関数を使う方法と、Structクラスおよびそのメソッドを使う方法の2通りが用意されています。

フォーマット文字列によるバイトオーダーの指定

変換処理にはフォーマット文字列を使用します。フォーマット文字列の先頭に置く文字によって、バイトオーダー（エンディアン）、サイズ、アライメントが決定されます。

C言語の型とフォーマット文字の対応表

次の表は、C言語の各型に対応するフォーマット文字と、それがPythonのどの型にマッピングされるかを示したものです。

structモジュールの主な関数

pack()関数

pack()は、指定されたフォーマット文字列に従って値をパックし、bytesオブジェクトとして返します。引数として渡す値は、フォーマット文字列が要求する型・個数と一致している必要があります。

unpack()関数

unpack()は、バッファからフォーマット文字列に従ってデータを展開します。戻り値は、要素が1つだけの場合でも必ずタプルとして返される点に注意してください。

実行例：pack()とunpack()の基本

import struct
student = (1, b'Rahul', 65.75)
packed = struct.pack('I 5s f', *student)
print('packed data:', packed)

unpacked = struct.unpack('I 5s f', packed)
print('unpacked data:', unpacked)

出力結果

packed data: b'\x01\x00\x00\x00Rahul\x00\x00\x00\x00\x80\x83B'
unpacked data: (1, b'Rahul', 65.75)

この例では、整数（unsigned int）、5バイトの文字列、floatの3つの値を1つのbytesオブジェクトにまとめ、その後元のタプルに復元しています。

Structクラスを使った効率的な変換

パック／アンパックはStructクラスのメソッドでも行えます。同じフォーマット文字列を繰り返し使う場合は、Structオブジェクトを一度生成してメソッドを呼び出す方が効率的です。これは、フォーマット文字列のコンパイルが一度だけで済むためです。

Struct(format)コンストラクタ

このコンストラクタは、指定されたフォーマット文字列に従ってバイナリデータの読み書きを行う新しいStructオブジェクトを返します。

pack()メソッド

コンパイル済みのフォーマットを使用する点以外は、struct.pack()関数と同一の動作をします。

unpack()メソッド

こちらも同様に、コンパイル済みのフォーマットを使用する点を除けば、struct.unpack()関数と同一です。

Structクラスの使用例

s = struct.Struct('I 5s f')
packed = s.pack(*student)
print(packed)

unpacked = s.unpack(packed)
print(unpacked)

namedtupleとの組み合わせで可読性アップ

アンパックしたデータは、namedtuple（名前付きタプル）に直接変換すると、各フィールドに名前でアクセスできて便利です。

from collections import namedtuple
newstudent = namedtuple('newstudent', 'No Name Marks')
s1 = newstudent._make(struct.unpack('I 5s f', packed))
print(s1)

出力結果

newstudent(No=1, Name=b'Rahul', Marks=65.75)

このようにstructモジュールを使いこなすことで、C言語との連携やバイナリ形式ファイルの解析など、Pythonでのバイナリデータ処理を効率的かつ安全に行えるようになります。