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？
$ pythonPython 3.9.6 (default, Jun 29 2021, 00:00:00) 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！
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 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.*/static PyObject *builtin_hash(PyObject *module, PyObject *obj)/**/{ 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) < 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.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。
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。）
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