为什么在Python中字典的键必须是不可变的？

在Python中，字典是使用键-值（key-value）对存储数据的一种数据类型。字典的键必须是唯一的、不可变的对象，而值可以是任何对象。例如，我们可以使用以下代码创建一个简单的Python字典：

my_dict = {"apple": 1, "banana": 2, "orange": 3}

在这个字典中，"apple"、"banana"和"orange"是键，分别对应值1、2和3。

从字典实现的角度来说，为什么在Python中字典的键必须是不可变的呢？本文将会对这个问题进行深入的探讨。

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背景

在正式回答为什么Python中字典的键必须是不可变的之前，我们需要先了解字典的基本实现方式。

在Python中，字典的内部实现是一个哈希表（Hash Table）。哈希表是一种通过将输入的键值（key value）作为哈希函数的输入来直接访问可存储值的数据结构。这样可以实现常数时间的搜索和插入操作，因此哈希表是高效的数据结构。

哈希表本质上是一个数组，数组的每个元素都是一个链表的头节点。每个链表包含了一组键-值对，这些键-值对根据哈希值分配到不同的链表中。假设我们要查找一个键的值，只需使用相应的哈希函数计算出该键的哈希值，并在具有相同哈希值的链表中查找该键的值。

从这个实现方式来看，字典的键必须是不可变的，这是因为字典的哈希值需要满足以下性质：

• 哈希值必须是可计算的：如果键的哈希值不是固定的，则无法对其进行查找、插入或删除操作。因此，必须使用键的哈希值来将键映射到哈希表中的位置。

• 哈希值必须是唯一的：如果两个不同的键具有相同的哈希值，则无法将它们分配到不同的链表中。如果这种情况发生了，查找操作将不能保证正确性。

尤其是哈希值需要固定且唯一，而对于可变对象，一旦发生改变，哈希值也会发生改变，因而无法实现对可变对象的哈希。

因此，在Python中，为了保证字典的正确性，采用了如下措施：

• 字典的键必须是不可变的：因为只有不可变的对象才能保证哈希值的计算不发生变化。

• 字典的值可以是任何对象：值可以是任何对象，包括可变对象。

为什么数字、字符串、元组等是不可变的？

在Python中，数字、字符串、元组等都是不可变的，这是因为这些类型的值不允许被修改，即它们是没有改变的可能。

对于数字，每个数字都是唯一的。例如，1和2是不同的数字，在内存中具有不同的存储位置。由于数字是不可变的，因此它们的哈希值可以根据其存储位置计算。因此，数字是字典中最常用的键类型之一。

对于字符串，它们的内容是固定的，因为字符串是不可变序列。如果字符串可以被修改，则会破坏哈希值和字符串的内容之间的关系，从而影响字典的正确性。因此，Python将字符串定义为不可变的。

元组是由一些值组成的序列，也是不可变的对象。元组的哈希值是通过对每个元素的哈希值进行计算得到的，因此如果元组中有一个元素被修改，则无法保证它的哈希值不变，从而无法将元组作为字典中的键。

总之，不可变对象的好处是它们可以被安全地用作字典的键，因为它们的哈希值是固定的且不受任何修改的影响。

可变对象为什么不能作为字典的键？

我们已经知道，字典的键必须是不可变的，并且为什么某些类型的对象是不可变的。那么为什么可变对象不能用作字典的键呢？下面我们将具体分析这个问题。

考虑一个可变对象列表my_list和一个字典my_dict。现在我们尝试将my_list作为字典的键，如下所示：

my_list = [1, 2, 3]
my_dict = {my_list: "value"}

尝试将my_list作为字典的键会导致一个TypeError异常：

TypeError: unhashable type: 'list'

这是因为my_list是一个可变对象，它的哈希值是可变的。如果对my_list进行修改，则它的哈希值也会随之更改。在这种情况下，Python无法保证字典操作的正确性。

这是一个例子，说明了为什么可变对象不能作为字典的键。实际上，对于任何可变对象，我们都无法保证它的哈希值是唯一且不变的，因此无法将其用作字典的键。

如何将可变对象作为字典的键？

在某些情况下，我们可能确实需要使用可变对象作为字典的键。例如，假设我们需要一个统计每个人喜欢的水果的字典。人的名称是字符串类型，但每个人喜欢的水果列表是可变类型。我们该如何处理这种情况？

一种方法是使用一个包含字符串和元组的复合键。元组用于存储每个人喜欢的水果列表。例如：

my_dict = {("Alice", ("apple", "banana", "orange")),
           ("Bob", ("mango", "banana")),
           ("Charlie", ("banana", "orange"))}

在这个例子中，字典的键是一个包含人名和喜欢的水果元组的键。元组是不可变的，所以可以被安全地用作字典的键。

当然，这种方法并非总是可行的。有时我们确实需要使用可变对象作为字典的键。在这种情况下，必须使用其他数据结构，例如列表、集合或元组，来存储键，并在需要时使用这些键。这种方法非常繁琐，而且对于大型字典非常不实用。

结论

我们已经详细地讨论了为什么在Python中字典的键必须是不可变的，特别是为什么各种类型的不可变对象（如数字、字符串、元组等）可以安全地用作字典的键。

我们还介绍了可变对象为什么不能用作字典的键，以及如何克服这种限制。

正如我们所看到的，Python的字典实现方式为哈希表。为了保证字典操作的正确性，Python需要使用哈希值来将键映射到哈希表的位置。因此，字典的键必须是不可变的对象，可以保证哈希值不变。

对于可变对象，它们的哈希值是可变的。如果使用可变对象作为字典的键，则无法保证哈希值的唯一性。因此，Python将可变对象定义为不可哈希的，即不能作为字典的键。

总之，在Python中，对于需要使用字典的场景，应该尽量使用不可变的对象作为键。如果需要使用可变对象作为键，则必须使用其他数据结构来代替字典。