python字典不能创建的键 python不能作为字典key

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mob64ca14095513 2023-10-13 19:47:05

文章标签 python字典不能创建的键数据结构机器学习 Python hash函数 文章分类 Python 后端开发

Python 为什么list不能作为字典的key？

很多Python初学者经常会有这样的疑问，为什么Python有tuple（元组）和list（列表）两种类型？为什么tuple可以作为字典的key，list不可以？要理解这个问题，首先要明白python的字典工作原理。

Python的字典是如何工作的

在Python中，字典也就是一个个的“映射”，将key映射到value：

# 对一个特定的key可以得到一个value
value=d[key]

为了实现这个功能，Python必须能够做到，给出一个key，找到哪一个value与这个key对应。先来考虑一种比较简单的实现，将所有的key-value键值对存放到一个list中，每当需要的时候，就去遍历这个list，用key去和键值对的key匹配，如果相等，就拿到value。但是这种实现在数据量很大的时候就变得很低效。它的算法复杂度是O(n)，n是存放键值对的数量。

为此，Python使用了hash（哈希）的方法来实现，要求每一个存放到字典中的对象都要实现hash函数，这个函数可以产生一个int值，叫做hash value（哈希值），通过这个int值，就可以快速确定对象在字典中的位置。

这个查询的大致过程如下：

def                     lookup          (          d          ,                     key          )          :
              '''字典的查询过程概括为下面3步:
       1. 通过hash函数将key计算为哈希值.
                    
       2. 通过hash值确定一个位置，这个位置是一个存放着
          可能存在冲突的元素的数组（很多地方叫做“桶”，bucket），
          每一个元素都是一个键值对，理想情况下，这个数组里只有1个元素.
                    
       3. 遍历这个数组，找到目标key，返回对应的value.
    '''
              h                     =                     hash          (          key          )                                      # step 1
              cl                     =                     d          .          data          [          h          ]                                     # step 2
              for                     pair           in                     cl          :                                    # step 3
                  if                     key                     ==                     pair          [          0          ]          :
                      return                     pair          [          1          ]
              else          :
                  raise                     KeyError          ,                     "Key %s not found."                     %                     key

如果两个key产生了不同的hash value，那么这两个key对象是不相等的。即

for                     all           i1          ,                     i2          ,                     if                     hash          (          i1          )                     !=                     hash          (          i2          )          ,                     then                     i1                     !=                     i2

否则的话，hash value不同，对象却相同，那么相同的对象产生不同的hash value，查找的时候就会进错桶（step 2），在错误的桶里永远也找不到你要找的value。

另外，要让字典保持高查找效率，还要保证：当两个key产生相同的hash value，那么他们是相等的。

for                     all           i1          ,                     i2          ,                     if                     hash          (          i1          )                     ==                     hash          (          i2          )          ,                     then                     i1                     ==                     i2

这样做的目的是，尽量满足每个hash桶只有一个元素。为什么要这样呢？考虑下面这个hash函数。

def                     hash          (          obj          )          :
              return                     1

这个hash函数是满足上面我们谈的第一个条件的：如果两个key的hash value不同，那么两个key对象不相同。因为所有的对象产生的hash value都是1，所以不存在能产生不同hash value的key，也就不存在不满足的情况。但是这样做的坏处是，因为所有的hash value都相同，所以就把所有的对象分到了同一个地方。查找的时候，进行到第三步，遍历的效率就变成了O(n).

Hash函数应该保证所有的元素平均的分配到每一个桶中，理想的情况是，每一个位置只有一个元素。

字典Key要满足的要求

经过上面的讨论，我们应该明白Python为什么对字典的key有这样的要求了：

要作为字典的key，对象必须要支持hash函数（即__hash__），相等比较(__eq__或__cmp__），并且满足上面我们讨论过的条件。

List为什么不能作为key

至于这个问题，最直接的答案就是：list没有支持__hash__方法，那么为什么呢？

对于list的hash函数，我们可能有下面两种实现的方式：

第一种，基于id。这满足条件，“如果hash值不同，那么他们的id当然不同”。但考虑到list一般是作为容器，基于id来hash可能会导致下面两种情况：

用相同的list作为key去字典中找某个元素可能会得到不同的结果，因为是基于id hash的，所以即使他们的内容相同，字典依然将他们作为不同的元素对待。
创建一个一模一样的list用字典查找永远会得到一个KeyError。

第二种，基于内容。tuple就是这样做的，但是要注意一点，list是可以修改的。当list修改之后，你就永远别想再从字典中拿回来了。见下面的代码。

>>>                     l                     =                     [          1          ,                     2          ]
>>>                     d                     =                     {          }
>>>                     d          [          l          ]                     =                     42
>>>                     l          .          append          (          3          )
>>>                     d          [          l          ]                     # 原来的hash值是基于[1, 2]hash的，
                   # 现在是基于[1, 2, 3]，所以找不到
Traceback                     (          most           recent           call           last          )          :
            File                     "<interactive input>"          ,                     line                     1          ,                     in                     ?
KeyError          :                     [          1          ,                     2          ,                     3          ]
>>>                     d          [          [          1          ,                     2          ]          ]                     # 基于hash [1, 2]
                        # 但是遍历的时候找不到key相等的键值对
                        #（因为字典里的key变成了[1, 2, 3]
Traceback                     (          most           recent           call           last          )          :
            File                     "<interactive input>"          ,                     line                     1          ,                     in                     ?
KeyError          :                     [          1          ,                     2          ]

鉴于两种实现的方式都存在一定的副作用，所以Python规定：

内置的list不能作为字典的key.

但tuple是不可变，所以tuple可以作为字典的key。