在计算机中，文件可以分为两种类型：文本文件和二进制文件。文本文件包含人类可读的字符，而二进制文件包含计算机指令或数据，无法直接阅读。常见的二进制文件包括图片、音频、视频、可执行文件等。
Python 提供了处理二进制文件的工具，允许你读写任意类型的数据。
1 以二进制模式打开文件
在 Python 中，操作二进制文件时，需要使用 'b' 作为文件模式的一部分。常见的二进制文件模式有：
'rb'：以二进制读取文件。'wb'：以二进制写入文件。'ab'：以二进制追加内容到文件。
1.1 读取二进制文件 ('rb' 模式)
使用 'rb' 模式读取二进制文件时，文件内容将以字节形式读取。读取到的数据是一个 bytes 对象，而不是字符串。
# 以二进制模式读取文件
with open('image.png', 'rb') as file:
binary_data = file.read()
print(binary_data[:100]) # 打印前100个字节的数据
解释：
open('image.png', 'rb')：以二进制模式打开一个图片文件。file.read()：读取文件的全部内容，返回一个bytes对象。binary_data[:100]：只显示前100个字节的数据。
注意： 在读取二进制文件时，读取到的数据并不会被转换为可读的文本，而是直接以字节形式呈现。
1.2 写入二进制文件 ('wb' 模式)
使用 'wb' 模式写入二进制文件时，必须将写入的数据转换为字节类型。可以通过使用 bytes() 或其他数据类型来转换。
# 以二进制模式写入文件
with open('output.bin', 'wb') as file:
binary_data = bytes([120, 3, 255, 0, 100]) # 一个字节列表
file.write(binary_data)
解释：
bytes([120, 3, 255, 0, 100])：创建一个包含字节数据的bytes对象。file.write(binary_data)：将字节数据写入文件。
写入二进制文件时，如果文件不存在，Python 会创建一个新文件。如果文件已经存在，它的内容将被覆盖。
1.3 追加二进制内容 ('ab' 模式)
使用 'ab' 模式可以向现有的二进制文件追加数据，而不会覆盖原有内容。
# 以二进制追加模式写入文件
with open('output.bin', 'ab') as file:
additional_data = bytes([200, 150, 50])
file.write(additional_data)
解释：
open('output.bin', 'ab')：以二进制追加模式打开文件。file.write(additional_data)：将额外的字节数据追加到文件末尾。
2 处理图片文件示例
图片文件是二进制文件的常见类型之一。以下是如何读取和写入图片文件的示例。
2.1 读取图片文件
以下代码展示了如何使用 Python 读取一个 PNG 图片文件的二进制数据。
# 读取 PNG 图片文件的二进制数据
with open('image.png', 'rb') as image_file:
image_data = image_file.read()
# 输出图片的前200个字节（可调整）
print(image_data[:200])
说明：
- 图片文件的数据是以字节的形式存储的，无法直接通过
print()输出为可读的图片内容。 - 可以将读取到的二进制数据用于进一步处理，如显示图片、修改图片内容等。
2.2 写入图片文件
假设你有一段处理后的图片数据，想将其保存为新的图片文件。你可以使用二进制写入模式来完成此操作。
# 将数据写入一个新图片文件
with open('new_image.png', 'wb') as new_image_file:
new_image_file.write(image_data) # 假设 image_data 包含有效的二进制图片数据
此操作将把 image_data 中的字节数据写入到新创建的 new_image.png 文件中。
3 二进制文件与文本文件的区别
在处理二进制文件时，有几点需要注意：
- 数据格式不同：二进制文件包含的是原始字节，而不是字符。文本文件中的数据是字符的编码版本，通常以 Unicode 格式存储。
- 读取方式不同：文本文件的读取方式会自动将字节转换为字符串，而二进制文件的读取直接返回字节数据。
- 数据处理方式不同：操作二进制文件时，必须小心处理字节数据的格式和顺序。对于文本文件，Python 会自动处理字符编码和解码。
3.1 序列化与反序列化：使用 pickle
pickle 是 Python 中一个用于对象序列化和反序列化的模块。序列化是将 Python 对象转换为字节流的过程，反序列化是将字节流还原为原始对象的过程。这在处理二进制文件时非常有用，尤其是当你想要保存和加载复杂的 Python 数据结构时。
3.1.1 使用 pickle 序列化对象
以下代码展示了如何使用 pickle 将 Python 对象序列化并保存到二进制文件中：
import pickle
# 一个 Python 字典对象
data = {
'name': 'Alice',
'age': 30,
'city': 'New York'
}
# 将对象序列化并写入二进制文件
with open('data.pkl', 'wb') as file:
pickle.dump(data, file)
解释：
pickle.dump(data, file)：将字典对象data序列化并保存到文件data.pkl中。'wb'模式确保文件以二进制模式打开以保存字节流。
3.1.2 使用 pickle 反序列化对象
要从二进制文件中读取并还原序列化的对象，可以使用 pickle.load() 函数：
import pickle
# 从二进制文件中加载序列化对象
with open('data.pkl', 'rb') as file:
loaded_data = pickle.load(file)
print(loaded_data)
解释：
pickle.load(file)：从文件data.pkl中读取并反序列化对象，恢复为原始的 Python 数据结构。
3.2 二进制文件操作的常见应用
3.2.1 操作音频和视频文件
音频和视频文件也是典型的二进制文件。你可以使用类似的方式读取和写入这些文件，不过在处理这类文件时，通常会使用专门的库来解析和操作文件数据。
例如，可以使用 wave 模块处理 .wav 格式的音频文件：
import wave
# 读取一个 WAV 文件
with wave.open('audio.wav', 'rb') as audio_file:
# 获取音频的参数
params = audio_file.getparams()
print(params)
# 读取音频数据
frames = audio_file.readframes(audio_file.getnframes())
print(frames[:100]) # 打印前100个字节的音频数据
3.2.2 操作二进制数据流
处理原始二进制数据流通常用于网络通信或硬件控制。这类应用需要对数据格式有深刻的理解，并通常会使用 struct 模块来处理复杂的二进制数据格式。
import struct
# 定义一个二进制数据格式：一个整数和一个浮点数
data_format = 'i f'
# 创建二进制数据
binary_data = struct.pack(data_format, 1024, 3.14)
# 解包二进制数据
unpacked_data = struct.unpack(data_format, binary_data)
print(unpacked_data)
解释：
struct.pack(data_format, ...)：将整数和浮点数打包为二进制数据。struct.unpack(data_format, binary_data)：将二进制数据解包为原始的 Python 对象。