cours-python/cours/source/15-fichiers-et-données-binaires/01-données-binaires.rst

Données binaires
================

Introduction : chiffres et nombres
-----------------------------------

Si je vous parle de ce que représente le texte: ``342`` vous pouvez le
voir de deux façons:

1. C'est une **suite de chiffres**: ``3``, puis ``4``, puis ``2``.
1. C'est un **nombre** (quelque part entre 300 et 350)

On se sert des *chiffres* de 0 à 9 pour *représenter* des *nombres*

La base 10
----------

Plus exactement, pour passer de la suite de chiffres ``342`` au nombre,
on part de la fin, puis on ajoute chaque chiffre, multiplié par la puissance
de 10 adéquate::

     2 * 1
  +  4 * 10
  +  2 * 10 * 10

soit::

      2
  +  40
  + 300

ce qui fait bien 342.


La base 16
----------

En informatique, on se sert souvent de la base 16. C'est le même principe: on se
sert des "chiffres" de 0 à F (A vaut 10, B vaut 11, jusqu'à F qui vaut 15)

Ainsi, la suite ``DA2`` peut être interprétée comme suit ::

     2 * 1
 +  10 * 16
 +  13 * 16 * 16

soit ::

       2
 +   160
 +  3328

soit 3746

On appelle aussi la base 16 la base *hexadécimale*, ou *hexa* en abrrégé.

La base 2
----------

La base 2 c'est pareil, mais avec deux "chiffres" - 0 et 1.

Ainsi, la suite `110` peut être interprétée comme suit ::

     0 * 1
 +   1 * 2
 +   1 * 2 * 2

soit ::

      0
 +    2
 +    4

soit 6.


Bits et octets
--------------

* Un bit (*bit* en anglais) c'est la valeur 1 ou 0
* Un octet (*byte* en anglais) c'est une suite de 8 bits

À retenir
---------

**Ces paquets de 8 ne veulent rien dire en eux-mêmes**.
Ils n'ont de sens que dans le cadre d'une *convention*.

Par exemple, l'octet '10100100' peut être un nombre écrit en
binaire (164 en l'occurrence), mais peut avoir une toute
autre signification

Le nombre de valeurs possible augmente *très* rapidement avec le nombre d'octets:

* 1 octet, c'est 255 valeurs possibles (``2 ** 8``)
* 2 octets, c'est 65.536 valeurs possibles (``2 ** 16``)
* 4 octets, c'est 4.294.967.296 valeurs possibles (``2 ** 32``)

Bases en Python
---------------

On se sert des préfixes `0b` et `0x` pour noter
les nombres en base binaire ou hexadécimale respectivement::

    print(0b1110)
    # affiche: 6

    print(0xDA2)
    # affiche: 3490

Poids des bits
--------------

Regardez l'example suivant::

    x = 0b0010010 # 18
    y = 0b0010011 # 19
    z = 0b1010010 # 82

Notez que le premier bit est plus "fort" que le dernier on dit qu'on est en "little endian".


Manipuler des octets en Python
------------------------------

On peut construrie des listes d'octets en utilsant ``bytearray`` et
une liste de nombres::

    data = bytearray(
      [0b1100001,
       0b1100010,
       0b1100011
      ]
    )

    # equivalent:
    data = bytearray([97,98,99])

    # equivalent aussi:
    data = bytearray([0x61, 0x62, 0x63]


Texte
-----

On peut aussi interpréter des octets comme du texte - c'est la table ASCII

.. image::  ../img/ascii-table.png


ASCII - remarques
-----------------

* C'est *vieux* - 1960
* Le A est pour American
* Ça sert à *envoyer* du texte sur des terminaux d'où les "caractères" non-imprimables dans la liste
* Mais c'est une convention *très* utilisée
* Techniquement, on n'a besoin que de 7 bits, mais on préfère envoyer des octets

Utiliser ASCII en Python
------------------------

Avec ``chr`` et ``ord``::

    x = chr(98)
    print(x)
    # affiche: b

    x = ord('a')
    print(x)
    # affiche: 97

Affichage des bytearrays en Python
----------------------------------

Python utilise ASCII pour afficher les bytearrays si les caractères sont "imprimables"::

   data = bytearray([97,98,99])
   print(data)
   # affiche: bytearray(b"abc")

Et ``\x`` et le code hexa sinon::

   data = bytearray([7, 69,  76, 70])
   print(data)
   # affiche: bytearray(b"\x07ELF")

Notez bien que ce qu'affiche Python n'est qu'une *interpétation* d'une séquence d'octets.

Types
-----

La variable `b"abc"` est une "chaîne d'octets", de même que `"abc"` est une "chaîne de caractères".

Python apelle ces types `bytes` et `str`::

    print(type("abc"))
    # affiche: str

    print(type(b"abc"))
    # affiche: bytes


bytes et bytearray
------------------

De la même manière qu'on ne peut pas modifier un caractère à l'intérieur une string, on ne peut
pas modifier un bit - ou un octet dans une variable de type `bytes`::

    a = "foo"
    # a[0] = "f" => TypeError: 'str' object does not support item assignment

    b = b"foo"
    # b[0] = 1 => TypeError: 'bytes' object does not support item assignment

Par contre on peut modifier un bytearray::

    b = bytearray(b"foo")
    b[0] = 103
    print(b)
    # affiche: bytearray(b"goo")

Conversion bytes - texte
------------------------

Avec ``encode()`` et ``decode()``::

    text = "chaise"
    encodé = text.encode("ascii")
    print(encodé)
    # affiche: b"chaise"

    bytes = b"table"
    décodé = bytes.decode("ascii")
    print(décodé)
    # affiche: b"table"


Notez que dans le deuxième exemple, on est bien en train de "décoder"
un paquet de 0 et de 1. Il peut s'écrire ainsi:


    bytes = b"\x74\x61\x62\x6c\x65"
    décodé = bytes.decode("ascii")
    print(décodé)
    # affiche: table

Plus loin que l'ASCII
---------------------

Vous avez sûrement remarquer qu'il n'y a pas de caractères accentués dans
ASCII. Du coup, il existe d'autres *conventions* qu'on appelle "encodage".

On peut spécifier l'encodage quand on appelle la méthode ``decode()``::

    # latin-1: utilisé sur certains vieux sites
    data = bytearray([233])
    lettre = data.decode('latin-1')
    print(lettre)
    # affiche: 'é'

    # cp850: dans l'invite de commande Windows
    data = bytearray([233])
    lettre = data.decode('cp850')
    print(lettre)
    # affiche: 'Ú'

Notez que la même suite d'octets a donné des résultats différents en fonction
de l'encodage!

Unicode
--------

L'Unicode c'est deux choses:

1. Une **table** qui associe un un "codepoint" à chaque caractère
2. Un encodage particulier, l'UTF-8, qui permet de convertir une suite
   d'octets en suite de codepoint et donc de caractères

UTF-8 en pratique
------------------

D'abord, UTF-8 est compatible avec ASCII::

    encodé = "abc".encode("utf-8")
    print(encodé)
    # Affiche: b'abc'

Ensuite, certains caractères (comme ``é``) sont représentés par 2 octets::

    encodé = "café".encode("utf-8")
    print(encodé)
    # Affiche: b'caf\xc3\xa9"


Enfin, certains caractères (comme les emojis) sont représentés par 3 voire plus octets.

.. warning::

    Toutes les séquences d'octets ne sont pas forcément valides quand on veut
    les décoder en UTF-8

Conséquences
-------------

* On peut représenter *tout* type de texte avec UTF-8 (latin, chinois, coréen, langues disparues, ....)
* On ne peut pas accéder à la n-ème lettre directement dans une chaîne
  encodée en UTF-8, il faut parcourir lettre par lettre (ce qui en pratique est rarement
  un problème).