Python中的不可變集合

songofhawk發表於2022-01-23
Python

Python內建了一個不可變(immutable)集合物件：frozenset，顧名思義，這種集合物件，一旦建立了就不能修改。

概念

下面的程式碼演示了可變和不可變集合使用上的差別：

l = [1, 2, 3, 4]
new_set = set(l)
new_set.remove(1)
print (new_set)

fset = frozenset(l)
fset.remove(1)

如果執行這段程式碼，它的輸出會是：

{2, 3, 4}

Traceback (most recent call last):
  File "main.py", line 9, in <module>
    fset.remove(1)
AttributeError: 'frozenset' object has no attribute 'remove'

可以看到frozenset例項根本沒有remove方法，當然它也沒有append方法，不能用index給元素賦值。

作用

除了不可修改以外，frozenset所有的用法都和普通set一樣。

這樣一個不可變的集合，有什麼用呢？對效能應該沒有什麼幫助，曾經有文章指出它比普通的set還稍慢一點，主要價值還是體現在可讀性和安全性上：

  • 顯式地宣告瞭該集合是不可更改的，給使用者明確提示，一旦誤用了，執行時也會友好報錯；
  • 如果想把這個集合，放到另一個set裡面，或者作為dict的key，那它就必須是不可更改的

這第二點，主要是因為dict的key要求是唯一的（或者set內的元素也是唯一的），要是傳一個物件，python會嘗試呼叫它的hash方法生個雜湊串，作為判斷是否唯一的依據，而如果這個物件居然是可變的，它的內容就會影響雜湊串的值。所以在python裡，可變物件根本就沒有內建hash方法，避免它被當做key。

比如下面這段程式碼：

fset = frozenset({4, 5})
s = {1, 2, fset}
print (s)

s = {1, 2, {4, 5}}

首先定義了一個frozenset，把它插入一個普通set；最後一句試圖在普通set裡面，初始化另外一個普通set。輸出結果如下：

{frozenset({4, 5}), 1, 2}

Traceback (most recent call last):
  File "main.py", line 27, in <module>
    s = {1, 2, {4, 5}}
TypeError: unhashable type: 'set'

可見普通set是不能作為另外一個set的元素的，但frozenset就可以。‘

為什麼Java沒有這個限制

Java程式設計師可能會覺得奇怪，在hashset裡放一個可變物件，不是很正常麼？憑什麼不行啊，我們Java經常這樣寫：

HashSet<ArrayList<String>> masterCollection = new HashSet<ArrayList<String>>();
ArrayList<String> a = new ArrayList<String>();
masterCollection.add(a);
a.add("Hello, World");
for(ArrayList<String> list : masterCollection) {
    // do something to list
}

完全不會報錯麼。

So，難道Java的實現機制和Python不一樣？

答案是並沒有，Java只是“容忍”了可能發生的錯誤——這個帖子解釋得很清楚。簡單來說：

Java和Python都是用一個物件的hash值作為key的，相比Python更重視資料一致性，Java更看中靈活性，所以如果我們真的在HashSet裡放了一個可變物件，並且事後改變了它的值，那麼就會發現，HashSet集合，已經檢測不到它的存在了！

mutable set as key in java.png

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