全網最適合入門的物件導向程式設計教程：55 Python 字串與序列化-位元組序列型別和可變位元組字串
摘要：
在 Python 中，字元編碼是將字元對映為位元組的過程，而位元組序列（bytes）則是儲存這些位元組的實際資料結構，位元組序列和可變位元組字串的主要區別在於其可變性和用途，bytearray 是可變的位元組序列，允許修改其內容。
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文件和程式碼獲取：
可訪問如下連結進行對文件下載：
https://github.com/leezisheng/Doc
本文件主要介紹如何使用 Python 進行物件導向程式設計，需要讀者對 Python 語法和微控制器開發具有基本瞭解。相比其他講解 Python 物件導向程式設計的部落格或書籍而言，本文件更加詳細、側重於嵌入式上位機應用，以上位機和下位機的常見串列埠資料收發、資料處理、動態圖繪製等為應用例項，同時使用 Sourcetrail 程式碼軟體對程式碼進行視覺化閱讀便於讀者理解。
相關示例程式碼獲取連結如下：https://github.com/leezisheng/Python-OOP-Demo
正文
字元編碼和位元組序列 bytes
在計算機記憶體中，我們遵循標準化的編碼原則，普遍採用 Unicode 編碼體系。然而，當需要將資料持久化儲存至硬碟或進行網路傳輸時，我們則將其轉換為 UTF-8 編碼。舉例來說，當我們使用記事本進行文件編輯時，從檔案中讀取的 UTF-8 字元將被轉換為 Unicode 字元以適應記憶體處理。編輯工作完成後，系統再將這些 Unicode 字元轉換回 UTF-8 編碼，以確保檔案儲存的準確性和相容性。這一流程確保了資料在不同平臺和系統間的順暢交流，滿足了現代計算環境中對於資料編碼的多樣化需求。
我們可以透過如下程式碼獲取我們自己計算機預設的編碼方式：
import sys
print(sys.getdefaultencoding())
我們來看一下執行結果，顯示系統預設 UTF-8 編碼：
Python3 中明確區分字串型別 (str) 和位元組序列型別 (bytes)，也稱為位元組流。記憶體，磁碟中均是以位元組流的形式儲存資料，它由一個一個的位元組（byte，8bit）順序構成。在前文中，我們提到位元組是計算過程中最底層的儲存格式，所以字串實際上為內建的 bytes 型別。然而人們並不習慣直接使用位元組，既讀不懂，操作起來也很麻煩，人們容易看懂的是字串。所以字串和位元組流需要進行轉化，位元組流轉換為人們可以讀懂的過程叫做解碼，與此相反，將字串轉換為位元組流的過程叫做編碼。在下面的示例中，我們先宣告瞭一個 bytes 陣列，然後用 bytes 類的.decode 方法將其轉換為我們可以看得懂的 Unicode 字串。這個方法接受不同字元編碼方式作為引數，示例程式碼如下：
_# 表示 Latin-1 編碼中的 cliché_
_# b 表示在定義一個 bytes 物件_
_# \x 字元表示每個位元組用十六進位制數字表示_
bytestr = b'\x63\x6c\x69\x63\x68\xe9'
_# 輸出這些位元組的 ASCII 符號本身_
_# 對於 ASCII 來說是未知的字元還是保留原有的十六進位制格式_
_# 輸出結果包含了 b 字元，提示我們這是一個bytes，而不是字串_
print(bytestr)
_# 用 Latin-1 編碼來解碼字串，decode 方法返回一個正常字串_
print(bytestr.decode("latin-1"))
_# 使用 iso8859-5 編碼來解碼字串_
print(bytestr.decode("iso8859-5"))
_# 使用 CP437 編碼來解碼字串_
print(bytestr.decode("CP437"))
執行結果如下：
我們也可以使用 encode 將字串轉換為 bytes 陣列，示例程式碼如下：
str = "cliché"
_# 前 3 個編碼為重音字元建立了不同的位元組集合_
print(str.encode("UTF-8"))
print(str.encode("latin-1"))
print(str.encode("CP437"))
_# 第 4 個則無法處理這種情況 ，有未知字元_
print(str.encode("ascii"))
執行結果如下：
可以看到，最後一種情況丟擲了異常，因為具有未知字元，有時候我們想要讓那些未知字元以不同的方式進行處理。encode 方法還接受一個可選的字串引數，名為 errors，用於定義這個字元應該如何處理。可選的值如下所示：
- strict：strict 替換規則是預設的，當位元組序列在我們所用的編碼中無法表示某個字元時，會丟擲異常；
- replace：使用 replace 策略時，這個字元會用另外一個字元替換；
- ignore：ignore 策略會直接省去不認識的字元；
- xmlcharrefreplace：xmlcharrefreplace 策略建立一個 xml 實體表示 Unicode 字元，這樣可以根據 XML 文件來轉換字串。
Python 有大約 100 種不同的編碼格式，詳情可以看如下連結：
https://docs.python.org/zh-cn/3/library/codecs.html#standard-encodings
一些編碼格式有多個名稱，比如'latin-1'、'iso_8859_1'和'8859’都是指同一種編碼。在處理編碼檔案時，選擇正確的編碼至關重要。我強烈推薦使用 UTF-8 編碼。UTF-8 不僅具備表示任何 Unicode 字元的能力，更在現代軟體領域中已成為一種廣泛接受的標準。
Python 原始碼也是一個文字檔案，所以，當你的原始碼中包含中文的時候，在儲存原始碼時，就需要務必指定儲存為 UTF-8 編碼。當 Python 直譯器讀取原始碼時，為了讓它按 UTF-8 編碼讀取，我們通常在檔案開頭寫上這兩行：
_#!/usr/bin/env python3_
_# -*- coding: utf-8 -*-_
第一行註釋是為了告訴 Linux/OS X 系統，這是一個 Python 可執行程式，Windows 系統會忽略這個註釋；
第二行註釋是為了告訴 Python 直譯器，按照 UTF-8 編碼讀取原始碼，否則，你在原始碼中寫的中文輸出可能會有亂碼。
申明瞭 UTF-8 編碼並不意味著你的.py 檔案就是 UTF-8 編碼的，必須並且要確保 IDE 正在使用 UTF-8 編碼。以 PyCharm IDE 為例：
可變位元組字串 bytearray
bytes 型別與 str 類似，它們都是不可變的。這意味著一旦建立了一個 bytes 物件，我們就不能對其進行擴充套件或修改。儘管如此，我們仍然可以對 bytes 物件執行索引或切片操作，甚至搜尋特定的位元組序列。然而，在處理 I/O 操作時，這種不可變性可能會帶來一些不便。因為在進行輸入/輸出操作時，我們經常需要快取位元組，直到它們準備好被髮送。
例如，當從套接字接收資料時，可能需要多次呼叫 recv 函式才能接收完整的訊息。在這種情況下，我們可以使用內建的 bytearray 型別來解決這個問題。bytearray 的行為類似於列表，但它包含的元素是位元組。它的建構函式可以接受 bytes 物件作為引數進行初始化。此外，bytearray 還提供了 extend 方法，允許我們向陣列中新增更多的 bytes 物件，例如在從套接字或其他 I/O 通道接收到更多資料時，這種靈活性使得 bytearray 在處理需要動態修改位元組序列的場景中非常有用。
bytearray 用法如下：
Syntax: bytearray(source, encoding, errors)
Parameters:
-source[optional]: Initializes the array of bytes
-encoding[optional]: Encoding of the string
-errors[optional]: Takes action when encoding fails
Returns:
Returns an array of bytes of the given size.
在下面的示例中，我們建立了兩個 bytearray 陣列，並使用 bytearray() 函式對字串進行編碼：
str = "Geeksforgeeks"
_# encoding the string with unicode 8 and 16_
array1 = bytearray(str, 'utf-8')
array2 = bytearray(str, 'utf-16')
print(array1)
print(array2)
程式碼輸出如下：
我們也可以透過切片操作直接修改 bytearray：
array2[4:6] = b"\x15\xa3"
print(array2)
執行結果如下：
需要注意的是，如果我們想要操作 bytearray 中的單個元素，則需要傳入一個 0~255 的整數值。這個整數代表的是一個特定的 bytes。如果我們用字元或 bytes 物件，將會丟擲異常。
單位元組字元可以透過 ord 函式（ordinal 的簡寫）轉換成整數。這一函式返回表示一個單獨字元的整數。示例程式碼如下：
b = bytearray(b'abcdef')
b[3] = ord(b'g')
b[4] = 68
print(b)
執行結果如下：
這裡，我們在構造完成可變位元組字串後，將索引為 3 的字元（第 4 個字元，因為和列表一樣，索引是從 0 開始的）替換為 103。它是透過 ord 函式返回的 ASCII 字元中的小寫字母 g 所對應的數字。作為說明，我們也將下一個字元替換為位元組數字 68，它對應 ASCII 字元中的大寫字母 D。
bytearray 型別的一些方法讓它可以像列表一樣操作，我們也可以對其進行遍歷、求其長度、使用 count 和 find 等方法，就像是對 bytes 或 str 物件一樣。不同之處在於 bytearray 是可變型別，它可以用於從特定輸入源構建複雜序列。
_# 建立bytearray_
array = bytearray(b"acbcdc")
_# 遍歷_
for value in array:
print(value)
_# 對元素b'c'使用count方法_
print("Count of c is:", array.count(b"c"))
_# 對元素b'c'使用find方法_
print("Count of c is:", array.find(b"c"))
_# 對元素b'c'使用len方法_
print("Count of bytes:", len(array))
