Python 为什么list不能作为字典的key？

Posted on 2017年1月12日 by laixintao7 Comments

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：

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# 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：

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deflookup(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

    forpairincl:                # step 3

        ifkey==pair[0]:

            returnpair[1]

    else:

        raiseKeyError,"Key %s not found."%key

要使这个查找过程正常工作，hash函数必须满足条件：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

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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。

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foralli1,i2,ifhash(i1)==hash(i2),theni1==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。

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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。

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>>>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(mostrecentcalllast):

  File"<interactive input>",line1,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(mostrecentcalllast):

  File"<interactive input>",line1,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。

自定义的类型作为字典的Key

用户自定义的类型就可以作为key了，默认的hash(object)是 id(object), 默认的cmp(object1, object2)是cmp(id(object1), id(object2))，同样是可以修改的对象，为什么这里就没有上面说的问题呢？

1. 一般来说，在映射中比较常见的需求是用一个object替换掉原来的，所以id比内容更重要，就可以基于id来hash
2. 如果内容重要的话，自定义的类型可以通过覆盖__hash__函数和__cmp__函数或__eq__函数来实现

值得注意的是：将对象和一个value关联起来，更好的做法是将value设置为对象的一个属性。