通过内省从 ctype 结构中获取元素？

2023-11-26

我找不到任何东西可以帮助我解决此类问题：我试图获取属于嵌套结构一部分的属性的偏移量，例如：

数据类型.py

class FirstStructure (ctypes.Structure):
    _fields_ = [('Junk', ctypes.c_bool),
                ('ThisOneIWantToGet', ctypes.c_int8)
                ]


class SecondStructure (ctypes.Structure):
    _fields_ = [('Junk', ctypes.c_double),
                ('Example', FirstStructure)
                ]

值得一提的是，我只知道父结构的名称SecondStructure我完全不知道那里可以有多少嵌套结构。

我想要在这里做的是获得偏移量ThisOneIWantToGet属性从开始SecondStructure.

我知道有ctypes.adressof适用于 ctypes 对象的方法。是否有任何简单的方法来获取嵌套参数的对象，以便我可以执行以下操作：

do_something.py

import data_types as dt
par_struct_obj = getattr(dt, 'SecondStructure')
par_obj = getattr(par_struct_obj , 'ThisOneIWantToGet')
print ctypes.addressof(parameter) - ctypes.addressof(parent_structure)

我首先要指出ctypes官方文档：[Python 3.5]：ctypes - Python 的外部函数库.

我定义了一个更复杂的结构树（2 个嵌套级别）。

数据类型.py:

import ctypes


PRAGMA_PACK = 0


class Struct2(ctypes.Structure):
    if PRAGMA_PACK:
        _pack_ = PRAGMA_PACK
    _fields_ = [
        ("c_0", ctypes.c_char),  # 1B
        ("s_0", ctypes.c_short),  # 2B
        ("wanted", ctypes.c_int), # 4B
    ]


class Struct1(ctypes.Structure):
    if PRAGMA_PACK:
        _pack_ = PRAGMA_PACK
    _fields_ = [
        ("d_0", ctypes.c_double),  # 8B
        ("c_0", ctypes.c_char),  # 1B
        ("struct2_0", Struct2),
    ]


class Struct0(ctypes.Structure):
    if PRAGMA_PACK:
        _pack_ = PRAGMA_PACK
    _fields_ = [
        ("i_0", ctypes.c_int),  # 4B
        ("s_0", ctypes.c_short),  # 2B
        ("struct1_0", Struct1),
    ]

Notes:

我指定了感兴趣的成员wanted（部分Struct2这是最深的）
处理事情时重要的一件事structs, it's 结盟. Check [MSDN]：#pragma pack更多细节。

In order to illustrate the 2^nd bullet (above), I prepared a small example (which has nothing to do with the question).

测试地址.py:

import sys
import ctypes
import data_types


OFFSET_TEXT = "Offset of '{:s}' member in '{:s}' instance: {:3d} (0x{:08X})"


def offset_addressof(child_structure_instance, parent_structure_instance):
    return ctypes.addressof(child_structure_instance) - ctypes.addressof(parent_structure_instance)


def print_offset_addressof_data(child_structure_instance, parent_structure_instance):
    offset = offset_addressof(child_structure_instance, parent_structure_instance)
    print(OFFSET_TEXT.format(child_structure_instance.__class__.__name__, parent_structure_instance.__class__.__name__, offset, offset))


def main():
    s0 = data_types.Struct0()
    s1 = s0.struct1_0
    s2 = s1.struct2_0
    print("PRAGMA_PACK: {:d} {:s}\n".format(data_types.PRAGMA_PACK, "" if data_types.PRAGMA_PACK else "(default)"))
    print_offset_addressof_data(s1, s0)
    print_offset_addressof_data(s2, s1)
    print_offset_addressof_data(s2, s0)
    print("\nAlignments and sizes:\n\t'{:s}': {:3d} - {:3d}\n\t'{:s}': {:3d} - {:3d}\n\t'{:s}': {:3d} - {:3d}".format(
            s0.__class__.__name__, ctypes.alignment(s0), ctypes.sizeof(s0),
            s1.__class__.__name__, ctypes.alignment(s1), ctypes.sizeof(s1),
            s2.__class__.__name__, ctypes.alignment(s2), ctypes.sizeof(s2)
        )
    )
    #print("Struct0().i_0 type: {:s}".format(s0.i_0.__class__.__name__))


if __name__ == "__main__":
    print("Python {:s} on {:s}\n".format(sys.version, sys.platform))
    main()

Notes:

Native C成员类型转换为Python类型，在一个ctypes.Structure, and ctypes.addressof会提高类型错误如果收到这样的论点（检查注释print from main)
我尝试使用C不同类型具有相同大小OSes（例如我避免了ctypes.c_long其长度为 8 个字节Lnx和 4 个字节长Win（当然是指 64 位版本））
两次示例运行之间需要修改源代码。我可以动态生成类，但这会给代码增加不必要的复杂性（并且偏离了我想要表达的观点）

Output:

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>python test_addressof.py
Python 3.5.4 (v3.5.4:3f56838, Aug  8 2017, 02:17:05) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

PRAGMA_PACK: 0 (default)

Offset of 'Struct1' member in 'Struct0' instance:   8 (0x00000008)
Offset of 'Struct2' member in 'Struct1' instance:  12 (0x0000000C)
Offset of 'Struct2' member in 'Struct0' instance:  20 (0x00000014)

Alignments and sizes:
        'Struct0':   8 -  32
        'Struct1':   8 -  24
        'Struct2':   4 -   8

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>rem change PRAGMA_PACK = 1 in data_types.py

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>python test_addressof.py
Python 3.5.4 (v3.5.4:3f56838, Aug  8 2017, 02:17:05) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

PRAGMA_PACK: 1

Offset of 'Struct1' member in 'Struct0' instance:   6 (0x00000006)
Offset of 'Struct2' member in 'Struct1' instance:   9 (0x00000009)
Offset of 'Struct2' member in 'Struct0' instance:  15 (0x0000000F)

Alignments and sizes:
        'Struct0':   1 -  22
        'Struct1':   1 -  16
        'Struct2':   1 -   7

struct_util.py:

import sys
import ctypes

import data_types


WANTED_MEMBER_NAME = "wanted"
FIELDS_MEMBER_NAME = "_fields_"


def _get_padded_size(sizes, align_size):
    padded_size = temp = 0
    for size in sizes:
        if temp >= align_size:
            padded_size += temp
            temp = size
        elif temp + size > align_size:
            padded_size += align_size
            temp = size
        else:
            temp += size
    if temp:
        padded_size += max(size, align_size)
    return padded_size


def _get_array_type_sizes(array_type):
    if issubclass(array_type._type_, ctypes.Array):
        return _get_array_type_sizes(array_type._type_) * array_type._type_._length_
    else:
        return [array_type._type_] * array_type._length_


def get_nested_offset_recursive(struct_instance, wanted_member_name):
    if not isinstance(struct_instance, ctypes.Structure):
        return -1
    align_size = ctypes.alignment(struct_instance)
    base_address = ctypes.addressof(struct_instance)
    member_sizes = list()
    for member_name, member_type in getattr(struct_instance, FIELDS_MEMBER_NAME, list()):
        if member_name == wanted_member_name:
            return _get_padded_size(member_sizes, align_size)
        if issubclass(member_type, ctypes.Structure):
            nested_struct_instance = getattr(struct_instance, member_name)
            inner_offset = get_nested_offset_recursive(nested_struct_instance, wanted_member_name)
            if inner_offset != -1:
                return ctypes.addressof(nested_struct_instance) - base_address + inner_offset
            else:
                member_sizes.append(ctypes.sizeof(member_type))
        else:
            if issubclass(member_type, ctypes.Array):
                member_sizes.extend(_get_array_type_sizes(member_type))
            else:
                member_sizes.append(ctypes.sizeof(member_type))
    return -1


def _get_struct_instance_from_name(struct_name):
    struct_class = getattr(data_types, struct_name, None)
    if struct_class:
        return struct_class()


def get_nested_offset(struct_name, wanted_member_name):
    struct_instance = _get_struct_instance_from_name(struct_name)
    return get_nested_offset_recursive(struct_instance, wanted_member_name)


def main():
    struct_names = [
        "Struct2",
        "Struct1",
        "Struct0"
    ]
    wanted_member_name = WANTED_MEMBER_NAME
    print("PRAGMA_PACK: {:d} {:s}\n".format(data_types.PRAGMA_PACK, "" if data_types.PRAGMA_PACK else "(default)"))
    for struct_name in struct_names:
        print("'{:s}' offset in '{:s}' (size: {:3d}): {:3d}".format(wanted_member_name,
                                                                    struct_name,
                                                                    ctypes.sizeof(_get_struct_instance_from_name(struct_name)),
                                                                    get_nested_offset(struct_name, wanted_member_name)))


if __name__ == "__main__":
    print("Python {:s} on {:s}\n".format(sys.version, sys.platform))
    main()

Notes:

该代码（waaaay）比我最初预期的更复杂。我认为有一个更简单的方法，但我就是看不到。希望我没有错过如此明显的事情，整个事情可以用 2 - 3 行代码完成
它应该适用于任何结构，尽管有（很多）情况我没有测试（特别是结构数组，其中有些情况不起作用）
It will stop at the 1^st member occurrence found
Functions (1 by 1):
- get_nested_offset_recursive - core function: recursively searches for the member in the structures and calculates its offset. There are 2 cases:
  - 会员处于child结构（或child's child, ...): 偏移到child结构体的计算方法是减去 2 个结构体地址（使用ctypes.addressof)
  - 成员位于当前结构中（复杂情况）：计算偏移量时考虑其之前成员的大小以及结构对齐
- _get_padd_size- 尝试适应成员尺寸（在我们关心的尺寸之前）对齐大小大块，并返回块大小总和
- _get_array_type_sizes- 数组不是atomic（从对齐PoV): a char c[10];成员可以替换为char c0, c1, ..., c9;。这就是这个函数的作用（递归）
- _get_struct_instance_from_\name- 辅助函数或便利函数：返回结构名称的实例（在数据类型模块）作为参数给出
- 获取嵌套偏移量- 包装函数

Output（同上原理）：

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>python struct_util.py
Python 3.5.4 (v3.5.4:3f56838, Aug  8 2017, 02:17:05) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

PRAGMA_PACK: 0 (default)

'wanted' offset in 'Struct2' (size:   8):   4
'wanted' offset in 'Struct1' (size:  24):  16
'wanted' offset in 'Struct0' (size:  32):  24

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>rem change PRAGMA_PACK = 1 in data_types.py

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>python struct_util.py
Python 3.5.4 (v3.5.4:3f56838, Aug  8 2017, 02:17:05) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

PRAGMA_PACK: 1

'wanted' offset in 'Struct2' (size:   7):   3
'wanted' offset in 'Struct1' (size:  16):  12
'wanted' offset in 'Struct0' (size:  22):  18

@EDIT0:

As I specified in the 1^st and (especially) the 2^nd notes, I wasn't happy with the solution, mainly because even if it works the current scenario, it doesn't for the general one (nesting arrays and structures). Then I came across [SO]: Ctypes: Get a pointer to a struct field (@MarkTolonen's answer), and took a different approach.

数据类型.py (add前面内容的代码如下）：

class Struct0_1(ctypes.Structure):
    if PRAGMA_PACK:
        _pack_ = PRAGMA_PACK
    _fields_ = [
        ("i_0", ctypes.c_int),  # 4B
        ("s_0", ctypes.c_short),  # 2B
        ("struct1_0_2", Struct1 * 2),
        ("i_1", ctypes.c_int * 2),  # 2 * 4B
        ("struct1_1", Struct1),
        ("i_2", ctypes.c_int),  # 4B
        ("struct1_2_3", Struct1 * 3),
    ]

struct_util_v2.py:

import sys
import ctypes

import data_types


WANTED_MEMBER_NAME = "wanted"

def _get_nested_offset_recursive_struct(struct_ctype, member_name):
    for struct_member_name, struct_member_ctype in struct_ctype._fields_:
        struct_member = getattr(struct_ctype, struct_member_name)
        offset = struct_member.offset
        if struct_member_name == member_name:
            return offset
        else:
            if issubclass(struct_member_ctype, ctypes.Structure):
                inner_offset = _get_nested_offset_recursive_struct(struct_member_ctype, member_name)
            elif issubclass(struct_member_ctype, ctypes.Array):
                inner_offset = _get_nested_offset_recursive_array(struct_member_ctype, member_name)
            else:
                inner_offset = -1
            if inner_offset != -1:
                return inner_offset + offset
    return -1


def _get_nested_offset_recursive_array(array_ctype, member_name):
    array_base_ctype = array_ctype._type_
    for idx in range(array_ctype._length_):
        if issubclass(array_base_ctype, ctypes.Structure):
            inner_offset = _get_nested_offset_recursive_struct(array_base_ctype, member_name)
        elif issubclass(array_base_ctype, ctypes.Array):
            inner_offset = _get_nested_offset_recursive_array(array_base_ctype, member_name)
        else:
            inner_offset = -1
        return inner_offset


def get_nested_offset_recursive(ctype, member_name, nth=1):
    if issubclass(ctype, ctypes.Structure):
        return _get_nested_offset_recursive_struct(ctype, member_name)
    elif issubclass(ctype, ctypes.Array):
        return _get_nested_offset_recursive_array(ctype, member_name)
    else:
        return -1


def main():
    struct_names = [
        "Struct2",
        "Struct1",
        "Struct0",
        "Struct0_1",
    ]
    member_name = WANTED_MEMBER_NAME
    print("PRAGMA_PACK: {:d} {:s}\n".format(data_types.PRAGMA_PACK, "" if data_types.PRAGMA_PACK else "(default)"))
    for struct_name in struct_names:
        struct_ctype = getattr(data_types, struct_name)
        print("'{:s}' offset in '{:s}' (size: {:3d}): {:3d}".format(member_name,
                                                                    struct_name,
                                                                    ctypes.sizeof(struct_ctype),
                                                                    get_nested_offset_recursive(struct_ctype, member_name)))


if __name__ == "__main__":
    print("Python {:s} on {:s}\n".format(sys.version, sys.platform))
    main()

Notes:

不再使用实例，因为偏移元数据存储在类本身中（地址不再需要）
对于新添加的结构，以前的代码不起作用
新代码的真正威力在于处理获取嵌套偏移量递归's nth参数（现在什么也不做 - 可以删除）告诉应该报告成员名称的哪个出现的偏移量（它只对结构数组有意义），但这有点复杂，因此需要更多代码
争论的主题可能是结构成员是指向结构的指针（有些人可能会认为将它们视为数组），但我认为由于此类（内部）结构驻留在另一个内存区域中，因此只需跳过它们（事实上，使用这种方法与决定无关）

Output:

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>python struct_util_v2.py
Python 3.5.4 (v3.5.4:3f56838, Aug  8 2017, 02:17:05) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

PRAGMA_PACK: 0 (default)

'wanted' offset in 'Struct2' (size:   8):   4
'wanted' offset in 'Struct1' (size:  24):  16
'wanted' offset in 'Struct0' (size:  32):  24
'wanted' offset in 'Struct0_1' (size: 168):  24

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>rem change PRAGMA_PACK = 1 in data_types.py

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>python struct_util_v2.py
Python 3.5.4 (v3.5.4:3f56838, Aug  8 2017, 02:17:05) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

PRAGMA_PACK: 1

'wanted' offset in 'Struct2' (size:   7):   3
'wanted' offset in 'Struct1' (size:  16):  12
'wanted' offset in 'Struct0' (size:  22):  18
'wanted' offset in 'Struct0_1' (size: 114):  18

@EDIT1:

添加了对以下内容的支持nth参数（重命名为：index).

struct_util_v3.py:

import sys
import ctypes

import data_types


WANTED_MEMBER_NAME = "wanted"
OFFSET_INVALID = -1

def _get_nested_offset_recursive_struct(struct_ctype, member_name, index):
    current_index = 0
    for struct_member_name, struct_member_ctype in struct_ctype._fields_:
        struct_member = getattr(struct_ctype, struct_member_name)
        offset = struct_member.offset
        if struct_member_name == member_name:
            if index == 0:
                return offset, 0
            else:
                current_index += 1
        else:
            if issubclass(struct_member_ctype, ctypes.Structure):
                inner_offset, occurences = _get_nested_offset_recursive_struct(struct_member_ctype, member_name, index - current_index)
            elif issubclass(struct_member_ctype, ctypes.Array):
                inner_offset, occurences = _get_nested_offset_recursive_array(struct_member_ctype, member_name, index - current_index)
            else:
                inner_offset, occurences = OFFSET_INVALID, 0
            if inner_offset != OFFSET_INVALID:
                return inner_offset + offset, 0
            else:
                current_index += occurences
    return OFFSET_INVALID, current_index


def _get_nested_offset_recursive_array(array_ctype, member_name, index):
    array_base_ctype = array_ctype._type_
    array_base_ctype_size = ctypes.sizeof(array_base_ctype)
    current_index = 0
    for idx in range(array_ctype._length_):
        if issubclass(array_base_ctype, ctypes.Structure):
            inner_offset, occurences = _get_nested_offset_recursive_struct(array_base_ctype, member_name, index - current_index)
        elif issubclass(array_base_ctype, ctypes.Array):
            inner_offset, occurences = _get_nested_offset_recursive_array(array_base_ctype, member_name, index - current_index)
        else:
            inner_offset, occurences = OFFSET_INVALID, 0
        if inner_offset != OFFSET_INVALID:
            return array_base_ctype_size * idx + inner_offset, 0
        else:
            if occurences == 0:
                return OFFSET_INVALID, 0
            else:
                current_index += occurences
    return OFFSET_INVALID, current_index


def get_nested_offset_recursive(ctype, member_name, index=0):
    if index < 0:
        return OFFSET_INVALID
    if issubclass(ctype, ctypes.Structure):
        return _get_nested_offset_recursive_struct(ctype, member_name, index)[0]
    elif issubclass(ctype, ctypes.Array):
        return _get_nested_offset_recursive_array(ctype, member_name, index)[0]
    else:
        return OFFSET_INVALID


def main():
    struct_names = [
        "Struct2",
        "Struct1",
        "Struct0",
        "Struct0_1",
    ]
    member_name = WANTED_MEMBER_NAME
    print("PRAGMA_PACK: {:d} {:s}\n".format(data_types.PRAGMA_PACK, "" if data_types.PRAGMA_PACK else "(default)"))
    for struct_name in struct_names:
        struct_ctype = getattr(data_types, struct_name)
        nth = 1
        ofs = get_nested_offset_recursive(struct_ctype, member_name, index=nth - 1)
        while ofs != OFFSET_INVALID:
            print("'{:s}' offset (#{:03d}) in '{:s}' (size: {:3d}): {:3d}".format(member_name,
                                                                                 nth,
                                                                                 struct_name,
                                                                                 ctypes.sizeof(struct_ctype),
                                                                                 ofs))
            nth += 1
            ofs = get_nested_offset_recursive(struct_ctype, member_name, index=nth - 1)


if __name__ == "__main__":
    print("Python {:s} on {:s}\n".format(sys.version, sys.platform))
    main()

Notes:

get_nested_offset_recursive's index argument is the (0 based) index in the member occurrences list - or how many occurrences to skip before reporting the offset (default: 0 - meaning that it will report 1^st occurrence's offset)
没有彻底测试，但我想我涵盖了所有情况
对于每个结构，程序列出所有成员出现的偏移量（直到找不到）
现在，代码就是我一开始想到的形状

Output:

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>python struct_util_v3.py
Python 3.5.4 (v3.5.4:3f56838, Aug  8 2017, 02:17:05) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

PRAGMA_PACK: 0 (default)

'wanted' offset (#001) in 'Struct2' (size:   8):   4
'wanted' offset (#001) in 'Struct1' (size:  24):  16
'wanted' offset (#001) in 'Struct0' (size:  32):  24
'wanted' offset (#001) in 'Struct0_1' (size: 192):  24
'wanted' offset (#002) in 'Struct0_1' (size: 192):  48
'wanted' offset (#003) in 'Struct0_1' (size: 192):  72
'wanted' offset (#004) in 'Struct0_1' (size: 192): 104
'wanted' offset (#005) in 'Struct0_1' (size: 192): 136
'wanted' offset (#006) in 'Struct0_1' (size: 192): 160

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>rem change PRAGMA_PACK = 1 in data_types.py

(py35x64_test) e:\Work\Dev\StackOverflow\q050304516>python struct_util_v3.py
Python 3.5.4 (v3.5.4:3f56838, Aug  8 2017, 02:17:05) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32

PRAGMA_PACK: 1

'wanted' offset (#001) in 'Struct2' (size:   7):   3
'wanted' offset (#001) in 'Struct1' (size:  16):  12
'wanted' offset (#001) in 'Struct0' (size:  22):  18
'wanted' offset (#001) in 'Struct0_1' (size: 130):  18
'wanted' offset (#002) in 'Struct0_1' (size: 130):  34
'wanted' offset (#003) in 'Struct0_1' (size: 130):  50
'wanted' offset (#004) in 'Struct0_1' (size: 130):  74
'wanted' offset (#005) in 'Struct0_1' (size: 130):  94
'wanted' offset (#006) in 'Struct0_1' (size: 130): 110

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