为什么在 Python 中 hash(-1) == hash(-2)？

摘要：$ pythonPython 3.9.6 (default, Jun 29 2021, 00:00:00)[GCC 11.1.1 20210531 (Red Hat 11.1.1-3)] on linuxType "help", "copyright", "c

英文：https://omairmajid.com/posts/2021-07-16-why-is-hash-in-python

作者：Omair Majid

译者：豌豆花下猫&Claude-3.5-Sonnet

时间：原文发布于 2021.07.16，翻译于 2025.01.11

收录于：Python为什么系列 https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo

当我在等待代码编译的时候，我在 Reddit 的 r/Python 上看到了这个问题：

hash(-1) == hash(-2) 是个彩蛋吗？

等等，这是真的吗？

$ pythonPython 3.9.6 (default, Jun 29 2021, 00:00:00)[GCC 11.1.1 20210531 (Red Hat 11.1.1-3)] on linuxType "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.>>> hash(-1)-2>>> hash(-2)-2>>> hash(-1) == hash(-2)True

是的，确实如此。真让人惊讶！

让我们看看其它一些常见的哈希值：

>>> hash(1)1>>> hash(0)0>>> hash(3)3>>> hash(-4)-4

看起来所有小整数的哈希值都等于它们自身，除了 -1...

现在我完全被这个问题吸引住了。我试图自己找出答案。在接下来的内容中，我将带你了解如何自己寻找这个答案。

如何开始呢？什么能给我们一个权威的答案？

让我们看看源代码！Python 的实际实现代码！

我假设你和我一样，对 Python 的源代码在哪里完全没有概念。

那么，我们（假设从未看过 Python 的源代码）如何获取源代码来回答最初的问题呢？

也许我们可以用 Google？搜索 "python implementation" 会带来一些有趣的结果。

我搜索的第一个结果提到了 "CPython 参考实现"。

github 上 Python 组织的第二个仓库就是 "cpython"。这看起来很靠谱。我们如何确保万无一失呢？

我们可以访问 python.org。让我们去到源码下载页面。最终我找到了 Python 3.9.6 的压缩包。解压后，README.rst 也指向了 Github 上的 CPython。

好的，这就是我们的起点。让我们获取这些代码，以便后续搜索：

git clone https://github.com/python/cpython --depth 1

--depth 1 参数使 git 只获取有限的历史记录。这样可以让克隆操作快很多。如果之后需要完整的历史记录，我们可以再获取。

在研究代码时，我们需要找到一个起点。最好是容易搜索的东西，比如一个简单的字符串，不会有太多误导性的匹配。

也许我们可以使用 hash 函数的文档？我们可以用 help(hash) 来查看文档内容：

>>> hash>>> help(hash)Help on built-in function hash in module builtins:hash(obj, /)Return the hash value for the given object.Two objects that compare equal must also have the same hash value, but thereverse is not necessarily true.

现在，我们可以用它来找到 hash 的实现：

$ grep -r 'Return the hash value'Python/clinic/bltinmodule.c.h:"Return the hash value for the given object.\n"Python/bltinmodule.c:Return the hash value for the given object.Doc/library/functions.rst: Return the hash value of the object (if it has one). Hash values areLib/hmac.py: """Return the hash value of this hashing object.

hmac 可能与加密的 HMAC 实现有关，所以我们可以忽略它。functions.rst 是一个文档文件，所以也可以忽略。

Python/bltinmodule.c 看起来很有趣。如果我们查看这个文件，会找到这样一段代码：

/*...Return the hash value for the given object.Two objects that compare equal must also have the same hash value, but thereverse is not necessarily true.[clinic start generated code]*/static PyObject *builtin_hash(PyObject *module, PyObject *obj)/*[clinic end generated code: output=237668e9d7688db7 input=58c48be822bf9c54]*/{Py_hash_t x;x = PyObject_Hash(obj);if (x == -1)return NULL;return PyLong_FromSsize_t(x);}

搜索 PyLong 带我来到这里。看起来 PyLongObject 是 Python 整数的原生表示（这在稍后会派上用场）。在浏览了 PyLongObject 文档并重读这段代码后，看起来是这样的：

我们调用 PyObject_Hash 来获得一个对象的哈希值如果计算出的哈希值是 -1，那表示是一个错误看起来我们用 -1 来表示错误，所以没有哈希函数会为真实对象计算出 -1我们将 Py_Ssize_t 转换为 PyLongObject（文档中称之为："这是 PyObject 的子类型，表示一个 Python 整数对象"）

啊哈！这就解释了为什么 hash(0) 是 0，hash(1) 是 1，hash(-2) 是 -2，但 hash(-1) 不是 -1。这是因为 -1 在内部被用来表示错误。

但为什么 hash(-1) 是 -2 呢？是什么将它设置成了这个值？

让我们看看能否找出原因。

我们可以先查找 PyObject_Hash 。让我们搜索一下。

$ ag PyObject_Hash...Objects/rangeobject.c552: result = PyObject_Hash(t);Objects/object.c777:PyObject_HashNotImplemented(PyObject *v)785:PyObject_Hash(PyObject *v)802: return PyObject_HashNotImplemented(v);Objects/classobject.c307: y = PyObject_Hash(a->im_func);538: y = PyObject_Hash(PyInstanceMethod_GET_FUNCTION(self));...

虽然有很多干扰，但唯一的实现似乎在 Objects/object.c 中：

Py_hash_tPyObject_Hash(PyObject *v){PyTypeObject *tp = Py_TYPE(v);if (tp->tp_hash != NULL)return (*tp->tp_hash)(v);/* 为了保持通用做法：在 C 代码中仅从 object 继承的类型，应该无需显式调用 PyType_Ready 就能工作，* 我们在这里隐式调用 PyType_Ready，然后再次检查 tp_hash 槽*/if (tp->tp_dict == NULL) {if (PyType_Ready(tp) tp_hash != NULL)return (*tp->tp_hash)(v);}/* Otherwise, the object can't be hashed */return PyObject_HashNotImplemented(v);}

这段代码相当令人困惑。幸运的是，注释很清晰。在多次阅读后，似乎这段代码——考虑到类型的一些延迟加载（？）——先找到对象的类型（使用 Py_TYPE）。然后寻找该类型的 tp_hash 函数，并在 v 上调用该函数：(*tp->tp_hash)(v)

我们在哪里能找到 -1 的 tp_hash 呢？让我们再次搜索 tp_hash：

$ ag tp_hash -l...Modules/_multiprocessing/semaphore.cObjects/sliceobject.cObjects/moduleobject.cObjects/exceptions.cModules/_pickle.cObjects/frameobject.cObjects/setobject.cObjects/rangeobject.cObjects/longobject.cObjects/object.cObjects/methodobject.cObjects/classobject.cObjects/enumobject.cObjects/odictobject.cObjects/complexobject.c...

这是一个很长的列表。回想一下文档中关于 PyLongObject 的说明（"这个...表示一个 Python 整数对象"），我先查看下 Objects/longobject.c ：

PyTypeObject PyLong_Type = {PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)"int", /* tp_name */offsetof(PyLongObject, ob_digit), /* tp_basicsize */sizeof(digit), /* tp_itemsize */0, /* tp_dealloc */0, /* tp_vectorcall_offset */0, /* tp_getattr */0, /* tp_setattr */0, /* tp_as_async */long_to_decimal_string, /* tp_repr */&long_as_number, /* tp_as_number */0, /* tp_as_sequence */0, /* tp_as_mapping */(hashfunc)long_hash, /* tp_hash */...

所以 PyLongObject 类型对象的 tp_hash 是 long_hash。让我们看看这个函数。

static Py_hash_tlong_hash(PyLongObject *v){Py_uhash_t x;Py_ssize_t i;int sign;...if (x == (Py_uhash_t)-1)x = (Py_uhash_t)-2;return (Py_hash_t)x;}

注意我删除了大部分实现细节。但这个函数的结尾正好符合我们的预期：-1 被保留用作错误信号，所以代码明确地将该返回值转换为 -2！

这就解释了为什么 hash(-1) 最终与 hash(-2) 相同。这不是一个彩蛋，只是为了避免使用 -1 作为 hash 方法的返回值，因此采取的变通方法。

如前所述，我从未看过 Python 代码库。我认为自己找到了答案。但这是对的吗？我可能完全错了。

幸运的是，/u/ExoticMandibles 在 Reddit 帖子中提供了答案：

Python 的参考实现是 "CPython"，这很可能就是你正在使用的 Python。CPython 是用 C 语言编写的，与 Python 不同，C 语言没有异常处理。所以，在 C 语言中，当你设计一个函数，并且想要表示"发生了错误"时，必须通过返回值来表示这个错误。

CPython 中的 hash 函数可能返回错误，所以它定义返回值 -1 表示"发生了错误"。但如果哈希计算正确，而对象的实际哈希值恰好是 -1，这可能会造成混淆。所以约定是：如果哈希计算成功，并得到值是 -1，就返回 -2。

在 CPython 中，整数（"长整型对象"）的哈希函数中有专门的代码来处理这种情况：

https://github.com/python/cpython/blob/main/Objects/longobject.c#L2967

这正是我通过阅读代码推测出的结果。

我从一个看似难以回答的问题开始。但是通过几分钟的代码探索——Python 整洁的代码库使得查看它的代码比我见过的其它代码库要容易得多——很容易就发现和理解了答案！如果你接触过计算机，这应该不足为奇。这里没有魔法，只有层层的抽象和代码。