Issue #7270: Add some dedicated unit tests for multi-thread synchronization
[python.git] / Doc / c-api / buffer.rst
blob72afcfd961b1664ce2073a4b1bed6c523c9acefe
1 .. highlightlang:: c
3 .. _bufferobjects:
5 Buffers and Memoryview Objects
6 ------------------------------
8 .. sectionauthor:: Greg Stein <gstein@lyra.org>
9 .. sectionauthor:: Benjamin Peterson
12 .. index::
13    object: buffer
14    single: buffer interface
16 Python objects implemented in C can export a group of functions called the
17 "buffer interface."  These functions can be used by an object to expose its
18 data in a raw, byte-oriented format. Clients of the object can use the buffer
19 interface to access the object data directly, without needing to copy it
20 first.
22 Two examples of objects that support the buffer interface are strings and
23 arrays. The string object exposes the character contents in the buffer
24 interface's byte-oriented form. An array can also expose its contents, but it
25 should be noted that array elements may be multi-byte values.
27 An example user of the buffer interface is the file object's :meth:`write`
28 method. Any object that can export a series of bytes through the buffer
29 interface can be written to a file. There are a number of format codes to
30 :cfunc:`PyArg_ParseTuple` that operate against an object's buffer interface,
31 returning data from the target object.
33 Starting from version 1.6, Python has been providing Python-level buffer
34 objects and a C-level buffer API so that any built-in or used-defined type can
35 expose its characteristics. Both, however, have been deprecated because of
36 various shortcomings, and have been officially removed in Python 3.0 in favour
37 of a new C-level buffer API and a new Python-level object named
38 :class:`memoryview`.
40 The new buffer API has been backported to Python 2.6, and the
41 :class:`memoryview` object has been backported to Python 2.7. It is strongly
42 advised to use them rather than the old APIs, unless you are blocked from
43 doing so for compatibility reasons.
46 The new-style Py_buffer struct
47 ==============================
50 .. ctype:: Py_buffer
52    .. cmember:: void *buf
54       A pointer to the start of the memory for the object.
56    .. cmember:: Py_ssize_t len
57       :noindex:
59       The total length of the memory in bytes.
61    .. cmember:: int readonly
63       An indicator of whether the buffer is read only.
65    .. cmember:: const char *format
66       :noindex:
68       A *NULL* terminated string in :mod:`struct` module style syntax giving
69       the contents of the elements available through the buffer.  If this is
70       *NULL*, ``"B"`` (unsigned bytes) is assumed.
72    .. cmember:: int ndim
74       The number of dimensions the memory represents as a multi-dimensional
75       array.  If it is 0, :cdata:`strides` and :cdata:`suboffsets` must be
76       *NULL*.
78    .. cmember:: Py_ssize_t *shape
80       An array of :ctype:`Py_ssize_t`\s the length of :cdata:`ndim` giving the
81       shape of the memory as a multi-dimensional array.  Note that
82       ``((*shape)[0] * ... * (*shape)[ndims-1])*itemsize`` should be equal to
83       :cdata:`len`.
85    .. cmember:: Py_ssize_t *strides
87       An array of :ctype:`Py_ssize_t`\s the length of :cdata:`ndim` giving the
88       number of bytes to skip to get to a new element in each dimension.
90    .. cmember:: Py_ssize_t *suboffsets
92       An array of :ctype:`Py_ssize_t`\s the length of :cdata:`ndim`.  If these
93       suboffset numbers are greater than or equal to 0, then the value stored
94       along the indicated dimension is a pointer and the suboffset value
95       dictates how many bytes to add to the pointer after de-referencing. A
96       suboffset value that it negative indicates that no de-referencing should
97       occur (striding in a contiguous memory block).
99       Here is a function that returns a pointer to the element in an N-D array
100       pointed to by an N-dimesional index when there are both non-NULL strides
101       and suboffsets::
103           void *get_item_pointer(int ndim, void *buf, Py_ssize_t *strides,
104               Py_ssize_t *suboffsets, Py_ssize_t *indices) {
105               char *pointer = (char*)buf;
106               int i;
107               for (i = 0; i < ndim; i++) {
108                   pointer += strides[i] * indices[i];
109                   if (suboffsets[i] >=0 ) {
110                       pointer = *((char**)pointer) + suboffsets[i];
111                   }
112               }
113               return (void*)pointer;
114            }
117    .. cmember:: Py_ssize_t itemsize
119       This is a storage for the itemsize (in bytes) of each element of the
120       shared memory. It is technically un-necessary as it can be obtained
121       using :cfunc:`PyBuffer_SizeFromFormat`, however an exporter may know
122       this information without parsing the format string and it is necessary
123       to know the itemsize for proper interpretation of striding. Therefore,
124       storing it is more convenient and faster.
126    .. cmember:: void *internal
128       This is for use internally by the exporting object. For example, this
129       might be re-cast as an integer by the exporter and used to store flags
130       about whether or not the shape, strides, and suboffsets arrays must be
131       freed when the buffer is released. The consumer should never alter this
132       value.
135 Buffer related functions
136 ========================
139 .. cfunction:: int PyObject_CheckBuffer(PyObject *obj)
141    Return 1 if *obj* supports the buffer interface otherwise 0.
144 .. cfunction:: int PyObject_GetBuffer(PyObject *obj, Py_buffer *view, int flags)
146       Export *obj* into a :ctype:`Py_buffer`, *view*.  These arguments must
147       never be *NULL*.  The *flags* argument is a bit field indicating what
148       kind of buffer the caller is prepared to deal with and therefore what
149       kind of buffer the exporter is allowed to return.  The buffer interface
150       allows for complicated memory sharing possibilities, but some caller may
151       not be able to handle all the complexity but may want to see if the
152       exporter will let them take a simpler view to its memory.
154       Some exporters may not be able to share memory in every possible way and
155       may need to raise errors to signal to some consumers that something is
156       just not possible. These errors should be a :exc:`BufferError` unless
157       there is another error that is actually causing the problem. The
158       exporter can use flags information to simplify how much of the
159       :cdata:`Py_buffer` structure is filled in with non-default values and/or
160       raise an error if the object can't support a simpler view of its memory.
162       0 is returned on success and -1 on error.
164       The following table gives possible values to the *flags* arguments.
166       +------------------------------+---------------------------------------------------+
167       | Flag                         | Description                                       |
168       +==============================+===================================================+
169       | :cmacro:`PyBUF_SIMPLE`       | This is the default flag state.  The returned     |
170       |                              | buffer may or may not have writable memory.  The  |
171       |                              | format of the data will be assumed to be unsigned |
172       |                              | bytes.  This is a "stand-alone" flag constant. It |
173       |                              | never needs to be '|'d to the others. The exporter|
174       |                              | will raise an error if it cannot provide such a   |
175       |                              | contiguous buffer of bytes.                       |
176       |                              |                                                   |
177       +------------------------------+---------------------------------------------------+
178       | :cmacro:`PyBUF_WRITABLE`     | The returned buffer must be writable.  If it is   |
179       |                              | not writable, then raise an error.                |
180       +------------------------------+---------------------------------------------------+
181       | :cmacro:`PyBUF_STRIDES`      | This implies :cmacro:`PyBUF_ND`. The returned     |
182       |                              | buffer must provide strides information (i.e. the |
183       |                              | strides cannot be NULL). This would be used when  |
184       |                              | the consumer can handle strided, discontiguous    |
185       |                              | arrays.  Handling strides automatically assumes   |
186       |                              | you can handle shape.  The exporter can raise an  |
187       |                              | error if a strided representation of the data is  |
188       |                              | not possible (i.e. without the suboffsets).       |
189       |                              |                                                   |
190       +------------------------------+---------------------------------------------------+
191       | :cmacro:`PyBUF_ND`           | The returned buffer must provide shape            |
192       |                              | information. The memory will be assumed C-style   |
193       |                              | contiguous (last dimension varies the             |
194       |                              | fastest). The exporter may raise an error if it   |
195       |                              | cannot provide this kind of contiguous buffer. If |
196       |                              | this is not given then shape will be *NULL*.      |
197       |                              |                                                   |
198       |                              |                                                   |
199       |                              |                                                   |
200       +------------------------------+---------------------------------------------------+
201       |:cmacro:`PyBUF_C_CONTIGUOUS`  | These flags indicate that the contiguity returned |
202       |:cmacro:`PyBUF_F_CONTIGUOUS`  | buffer must be respectively, C-contiguous (last   |
203       |:cmacro:`PyBUF_ANY_CONTIGUOUS`| dimension varies the fastest), Fortran contiguous |
204       |                              | (first dimension varies the fastest) or either    |
205       |                              | one.  All of these flags imply                    |
206       |                              | :cmacro:`PyBUF_STRIDES` and guarantee that the    |
207       |                              | strides buffer info structure will be filled in   |
208       |                              | correctly.                                        |
209       |                              |                                                   |
210       +------------------------------+---------------------------------------------------+
211       | :cmacro:`PyBUF_INDIRECT`     | This flag indicates the returned buffer must have |
212       |                              | suboffsets information (which can be NULL if no   |
213       |                              | suboffsets are needed).  This can be used when    |
214       |                              | the consumer can handle indirect array            |
215       |                              | referencing implied by these suboffsets. This     |
216       |                              | implies :cmacro:`PyBUF_STRIDES`.                  |
217       |                              |                                                   |
218       |                              |                                                   |
219       |                              |                                                   |
220       +------------------------------+---------------------------------------------------+
221       | :cmacro:`PyBUF_FORMAT`       | The returned buffer must have true format         |
222       |                              | information if this flag is provided. This would  |
223       |                              | be used when the consumer is going to be checking |
224       |                              | for what 'kind' of data is actually stored. An    |
225       |                              | exporter should always be able to provide this    |
226       |                              | information if requested. If format is not        |
227       |                              | explicitly requested then the format must be      |
228       |                              | returned as *NULL* (which means ``'B'``, or       |
229       |                              | unsigned bytes)                                   |
230       +------------------------------+---------------------------------------------------+
231       | :cmacro:`PyBUF_STRIDED`      | This is equivalent to ``(PyBUF_STRIDES |          |
232       |                              | PyBUF_WRITABLE)``.                                |
233       +------------------------------+---------------------------------------------------+
234       | :cmacro:`PyBUF_STRIDED_RO`   | This is equivalent to ``(PyBUF_STRIDES)``.        |
235       |                              |                                                   |
236       +------------------------------+---------------------------------------------------+
237       | :cmacro:`PyBUF_RECORDS`      | This is equivalent to ``(PyBUF_STRIDES |          |
238       |                              | PyBUF_FORMAT | PyBUF_WRITABLE)``.                 |
239       +------------------------------+---------------------------------------------------+
240       | :cmacro:`PyBUF_RECORDS_RO`   | This is equivalent to ``(PyBUF_STRIDES |          |
241       |                              | PyBUF_FORMAT)``.                                  |
242       +------------------------------+---------------------------------------------------+
243       | :cmacro:`PyBUF_FULL`         | This is equivalent to ``(PyBUF_INDIRECT |         |
244       |                              | PyBUF_FORMAT | PyBUF_WRITABLE)``.                 |
245       +------------------------------+---------------------------------------------------+
246       | :cmacro:`PyBUF_FULL_RO`      | This is equivalent to ``(PyBUF_INDIRECT |         |
247       |                              | PyBUF_FORMAT)``.                                  |
248       +------------------------------+---------------------------------------------------+
249       | :cmacro:`PyBUF_CONTIG`       | This is equivalent to ``(PyBUF_ND |               |
250       |                              | PyBUF_WRITABLE)``.                                |
251       +------------------------------+---------------------------------------------------+
252       | :cmacro:`PyBUF_CONTIG_RO`    | This is equivalent to ``(PyBUF_ND)``.             |
253       |                              |                                                   |
254       +------------------------------+---------------------------------------------------+
257 .. cfunction:: void PyBuffer_Release(Py_buffer *view)
259    Release the buffer *view*.  This should be called when the buffer
260    is no longer being used as it may free memory from it.
263 .. cfunction:: Py_ssize_t PyBuffer_SizeFromFormat(const char *)
265    Return the implied :cdata:`~Py_buffer.itemsize` from the struct-stype
266    :cdata:`~Py_buffer.format`.
269 .. cfunction:: int PyObject_CopyToObject(PyObject *obj, void *buf, Py_ssize_t len, char fortran)
271    Copy *len* bytes of data pointed to by the contiguous chunk of memory
272    pointed to by *buf* into the buffer exported by obj.  The buffer must of
273    course be writable.  Return 0 on success and return -1 and raise an error
274    on failure.  If the object does not have a writable buffer, then an error
275    is raised.  If *fortran* is ``'F'``, then if the object is
276    multi-dimensional, then the data will be copied into the array in
277    Fortran-style (first dimension varies the fastest).  If *fortran* is
278    ``'C'``, then the data will be copied into the array in C-style (last
279    dimension varies the fastest).  If *fortran* is ``'A'``, then it does not
280    matter and the copy will be made in whatever way is more efficient.
283 .. cfunction:: int PyBuffer_IsContiguous(Py_buffer *view, char fortran)
285    Return 1 if the memory defined by the *view* is C-style (*fortran* is
286    ``'C'``) or Fortran-style (*fortran* is ``'F'``) contiguous or either one
287    (*fortran* is ``'A'``).  Return 0 otherwise.
290 .. cfunction:: void PyBuffer_FillContiguousStrides(int ndim, Py_ssize_t *shape, Py_ssize_t *strides, Py_ssize_t itemsize, char fortran)
292    Fill the *strides* array with byte-strides of a contiguous (C-style if
293    *fortran* is ``'C'`` or Fortran-style if *fortran* is ``'F'`` array of the
294    given shape with the given number of bytes per element.
297 .. cfunction:: int PyBuffer_FillInfo(Py_buffer *view, void *buf, Py_ssize_t len, int readonly, int infoflags)
299    Fill in a buffer-info structure, *view*, correctly for an exporter that can
300    only share a contiguous chunk of memory of "unsigned bytes" of the given
301    length.  Return 0 on success and -1 (with raising an error) on error.
304 MemoryView objects
305 ==================
307 A memoryview object is an extended buffer object that could replace the buffer
308 object (but doesn't have to as that could be kept as a simple 1-d memoryview
309 object).  It, unlike :ctype:`Py_buffer`, is a Python object (exposed as
310 :class:`memoryview` in :mod:`builtins`), so it can be used with Python code.
312 .. cfunction:: PyObject* PyMemoryView_FromObject(PyObject *obj)
314    Return a memoryview object from an object that defines the buffer interface.
317 Old-style buffer objects
318 ========================
320 .. index:: single: PyBufferProcs
322 More information on the old buffer interface is provided in the section
323 :ref:`buffer-structs`, under the description for :ctype:`PyBufferProcs`.
325 A "buffer object" is defined in the :file:`bufferobject.h` header (included by
326 :file:`Python.h`). These objects look very similar to string objects at the
327 Python programming level: they support slicing, indexing, concatenation, and
328 some other standard string operations. However, their data can come from one
329 of two sources: from a block of memory, or from another object which exports
330 the buffer interface.
332 Buffer objects are useful as a way to expose the data from another object's
333 buffer interface to the Python programmer. They can also be used as a
334 zero-copy slicing mechanism. Using their ability to reference a block of
335 memory, it is possible to expose any data to the Python programmer quite
336 easily. The memory could be a large, constant array in a C extension, it could
337 be a raw block of memory for manipulation before passing to an operating
338 system library, or it could be used to pass around structured data in its
339 native, in-memory format.
342 .. ctype:: PyBufferObject
344    This subtype of :ctype:`PyObject` represents a buffer object.
347 .. cvar:: PyTypeObject PyBuffer_Type
349    .. index:: single: BufferType (in module types)
351    The instance of :ctype:`PyTypeObject` which represents the Python buffer type;
352    it is the same object as ``buffer`` and  ``types.BufferType`` in the Python
353    layer. .
356 .. cvar:: int Py_END_OF_BUFFER
358    This constant may be passed as the *size* parameter to
359    :cfunc:`PyBuffer_FromObject` or :cfunc:`PyBuffer_FromReadWriteObject`.  It
360    indicates that the new :ctype:`PyBufferObject` should refer to *base*
361    object from the specified *offset* to the end of its exported buffer.
362    Using this enables the caller to avoid querying the *base* object for its
363    length.
366 .. cfunction:: int PyBuffer_Check(PyObject *p)
368    Return true if the argument has type :cdata:`PyBuffer_Type`.
371 .. cfunction:: PyObject* PyBuffer_FromObject(PyObject *base, Py_ssize_t offset, Py_ssize_t size)
373    Return a new read-only buffer object.  This raises :exc:`TypeError` if
374    *base* doesn't support the read-only buffer protocol or doesn't provide
375    exactly one buffer segment, or it raises :exc:`ValueError` if *offset* is
376    less than zero.  The buffer will hold a reference to the *base* object, and
377    the buffer's contents will refer to the *base* object's buffer interface,
378    starting as position *offset* and extending for *size* bytes. If *size* is
379    :const:`Py_END_OF_BUFFER`, then the new buffer's contents extend to the
380    length of the *base* object's exported buffer data.
382    .. versionchanged:: 2.5
383       This function used an :ctype:`int` type for *offset* and *size*. This
384       might require changes in your code for properly supporting 64-bit
385       systems.
388 .. cfunction:: PyObject* PyBuffer_FromReadWriteObject(PyObject *base, Py_ssize_t offset, Py_ssize_t size)
390    Return a new writable buffer object.  Parameters and exceptions are similar
391    to those for :cfunc:`PyBuffer_FromObject`.  If the *base* object does not
392    export the writeable buffer protocol, then :exc:`TypeError` is raised.
394    .. versionchanged:: 2.5
395       This function used an :ctype:`int` type for *offset* and *size*. This
396       might require changes in your code for properly supporting 64-bit
397       systems.
400 .. cfunction:: PyObject* PyBuffer_FromMemory(void *ptr, Py_ssize_t size)
402    Return a new read-only buffer object that reads from a specified location
403    in memory, with a specified size.  The caller is responsible for ensuring
404    that the memory buffer, passed in as *ptr*, is not deallocated while the
405    returned buffer object exists.  Raises :exc:`ValueError` if *size* is less
406    than zero.  Note that :const:`Py_END_OF_BUFFER` may *not* be passed for the
407    *size* parameter; :exc:`ValueError` will be raised in that case.
409    .. versionchanged:: 2.5
410       This function used an :ctype:`int` type for *size*. This might require
411       changes in your code for properly supporting 64-bit systems.
414 .. cfunction:: PyObject* PyBuffer_FromReadWriteMemory(void *ptr, Py_ssize_t size)
416    Similar to :cfunc:`PyBuffer_FromMemory`, but the returned buffer is
417    writable.
419    .. versionchanged:: 2.5
420       This function used an :ctype:`int` type for *size*. This might require
421       changes in your code for properly supporting 64-bit systems.
424 .. cfunction:: PyObject* PyBuffer_New(Py_ssize_t size)
426    Return a new writable buffer object that maintains its own memory buffer of
427    *size* bytes.  :exc:`ValueError` is returned if *size* is not zero or
428    positive.  Note that the memory buffer (as returned by
429    :cfunc:`PyObject_AsWriteBuffer`) is not specifically aligned.
431    .. versionchanged:: 2.5
432       This function used an :ctype:`int` type for *size*. This might require
433       changes in your code for properly supporting 64-bit systems.