为什么在 Python 中 hash(-1) == hash(-2)?

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？

$ python
Python 3.9.6 (default, Jun 29 2021, 00:00:00)
[GCC 11.1.1 20210531 (Red Hat 11.1.1-3)] on linux
Type "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！

获取源代码

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。

让我们深入研究

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
<built-in function 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 the
    reverse 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 are
Lib/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 the
reverse 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：

1. 我们调用 PyObject_Hash 来获得一个对象的哈希值
2. 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
3. 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.c
552:    result = PyObject_Hash(t);

Objects/object.c
777:PyObject_HashNotImplemented(PyObject *v)
785:PyObject_Hash(PyObject *v)
802:    return PyObject_HashNotImplemented(v);

Objects/classobject.c
307:    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_t
PyObject_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) < 0)
            return -1;
        if (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.c
Objects/sliceobject.c
Objects/moduleobject.c
Objects/exceptions.c
Modules/_pickle.c
Objects/frameobject.c
Objects/setobject.c
Objects/rangeobject.c
Objects/longobject.c
Objects/object.c
Objects/methodobject.c
Objects/classobject.c
Objects/enumobject.c
Objects/odictobject.c
Objects/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_t
long_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。

这是正确/完整的答案吗？

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。

结论

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。

如果本文有什么启示的话，那就是：查看源代码！ （文档可能会过时，注释可能不准确，但源码是永恒的。）