前言

如题所述，本文将介绍 Python 和 C++ 之间的数据交互问题。我们的目标是，在 Python 中将结构性数据保存为二进制文件，然后在 C++ 中将二进制文件数据加载到结构体，直接就可以使用，不需要再进行其他的数据转换。

在 Python 中将结构性数据保存为二进制文件

作为测试，这里我们使用的结构性数据，其数据结构如下：

typedef struct {
    int a;
    float b;
    int array[10];     //array[10];
    int matrix[3][3];    //matrix[3][3];
    float tensor[2][3][4];  //tensor[2][3][4];
} MyStruct;

通过下面的代码，即可将上述结构性数据保存为二进制文件“data.bin”：

import struct
import numpy as np


# 定义多个嵌套的Struct实例
struct_int_float = struct.Struct('if')
struct_array = struct.Struct('10i')
struct_matrix = struct.Struct('9i')
struct_tensor = struct.Struct('24f')

int_a = 123
float_b = 3.14
int_array = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
int_matrix = [
    [1, 2, 3], 
    [4, 5, 6], 
    [7, 8, 9]
]
float_tensor = [
    [
        [1.1, 1.2, 1.3, 1.4], 
        [2.1, 2.2, 2.3, 2.4], 
        [3.1, 3.2, 3.3, 3.4]
    ],
    [
        [4.1, 4.2, 4.3, 4.4], 
        [5.1, 5.2, 5.3, 5.4], 
        [6.1, 6.2, 6.3, 6.4]
    ]
]

# 由列表转为数组格式, 方便后面进行一维展开
int_array = np.array(int_array)
int_matrix = np.array(int_matrix)
float_tensor = np.array(float_tensor)

# 将结构体实例中的各字段打包为字节串
# 多维数组需要先进行一维展开, 然后才能进行打包
packed_a_b = struct_int_float.pack(int_a, float_b)
packed_array = struct_array.pack(*int_array)
packed_matrix = struct_matrix.pack(*int_matrix.flatten())
packed_tensor = struct_tensor.pack(*float_tensor.flatten())

# 将各字段的字节串连接为最终的字节串
packed_data = packed_a_b + packed_array + packed_matrix + packed_tensor

# 将字节串写入二进制文件
with open('data.bin', 'wb') as f:
    f.write(packed_data)


print("[Info]---------- Finished ----------")

运行结果如下图所示：

在 Python 中将二进制文件解析出来，验证数据是否正确

上面我们将结构性数据保存为了二进制文件，那么在 python 中我们如何将二进制文件解析成结构性数据呢？至少我们得验证一下保存的文件是否正确。

完整的代码如下：

import struct
import numpy as np


# 定义多个嵌套的Struct实例
struct_int_float = struct.Struct('if')
struct_array = struct.Struct('10i')
struct_matrix = struct.Struct('9i')
struct_tensor = struct.Struct('24f')

# 从二进制文件中读取数据
with open('data.bin', 'rb') as f:
    packed_data = f.read()

# 解包数据为元组
data_a_b = struct_int_float.unpack(packed_data[:8])
data_array = struct_array.unpack(packed_data[8:48])
data_matrix = struct_matrix.unpack(packed_data[48:84])
data_tensor = struct_tensor.unpack(packed_data[84:180])

# 将解包后的数据转换为结构体实例
# 先转成 array 格式, 方便后面的 reshape 操作
int_a, float_b = data_a_b
int_array = np.array(data_array)
int_matrix = np.array(data_matrix)
float_tensor = np.array(data_tensor)

int_matrix = int_matrix.reshape(3, 3)
float_tensor = float_tensor.reshape(2, 3, 4)

print("===============================================================")
print(f'int_a = {int_a}')
print('float_b = {:.4f}'.format(float_b))
print("===============================================================")
print('int_array = {}'.format(int_array))
print("===============================================================")
print('int_matrix = {}'.format(int_matrix))
print("===============================================================")
print('float_tensor = {}'.format(float_tensor.round(4)))
print("===============================================================")


print("[Info]---------- Finished ----------")

程序运行结果如下图所示（可以看到，数据与我们保存进去的是一致的）：

在 C++ 中读取二进制文件，直接加载到结构体

在前言中我们提到，我们的目的就是在 C++ 中直接将 Python 保存的二进制数据加载到结构体进行使用，不需要再做额外的数据转换。那么，该如何做呢？请看下面的完整代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

using namespace std;

typedef struct {
    int a;
    float b;
    int array[10];     //array[10];
    int matrix[3][3];    //matrix[3][3];
    float tensor[2][3][4];  //tensor[2][3][4];
} MyStruct;


int main() 
{
    std::string file_path = "data.bin";
    // 打开要读取的二进制文件
    std::ifstream input_file(file_path, std::ios::binary);

    // 检查文件是否成功打开
    if (!input_file.is_open()) {
        // 文件打开失败
        std::cout << "open " << file_path << "failed !" << std::endl;
        return -1;
    }

    // 获取文件大小
    input_file.seekg(0, std::ios::end);
    std::streampos file_size = input_file.tellg();
    input_file.seekg(0, std::ios::beg);

    std::cout << "file_size = " << file_size << std::endl;
    // 读取文件到缓冲区
    char* buffer = new char[file_size];
    input_file.read(buffer, file_size);

    // 关闭文件
    input_file.close();

    // 将缓冲区中的数据转换为结构体
    MyStruct* my_struct = reinterpret_cast<MyStruct*>(buffer);

    // 输出结构体的数据
    std::cout << "===============================================================" << std::endl;
    std::cout << "a = " << my_struct->a << std::endl;
    std::cout << "b = " << my_struct->b << std::endl;
    std::cout << "===============================================================" << std::endl;
    std::cout << "array = [" << " ";
    int array_len = sizeof(my_struct->array)/sizeof(my_struct->array[0]);
    for (int i = 0; i < array_len; i++) {
        std::cout << my_struct->array[i] << ", ";
    }
    std::cout << "]" <<std::endl;
    std::cout << "===============================================================" << std::endl;
    std::cout << "matrix = [" << std::endl;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        std::cout << "[" << " ";
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            std::cout << my_struct->matrix[i][j] << ", ";
        }
        std::cout << "]," <<std::endl;
    }
    std::cout << "]" <<std::endl;
    std::cout << "===============================================================" << std::endl;
    std::cout << "tensor = [" << std::endl;
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        std::cout << "[" << " ";
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            std::cout << "[" << " ";
            for (int k = 0; k < 4; k++) {
                std::cout << my_struct->tensor[i][j][k] << ", ";
            }
            std::cout << "]," <<std::endl;
        }
        std::cout << "]," <<std::endl;
    }
    std::cout << "]" <<std::endl;
    std::cout << "===============================================================" << std::endl;

    delete[] buffer;
    
    return 0;
}

程序运行效果，如下图所示：

可以看到，我们在 C++ 中读取二进制数据后，直接加载到结构体中，最终显示出来的正是我们预期的数据。

至此，关于在 Python 中如何将 C++ 结构体数据保存为二进制文件的介绍就结束了，希望对大家能有所帮助。如果觉得不错的话，可以帮忙点个赞哦。