1. 什么是inmutabledict
在Python中，字典（Dictionary）是一种可变的数据结构，允许我们以键值对（key-value）的形式存储和访问数据。与可变的字典不同，不可变字典（inmutabledict）不允许修改已经添加的键值对，既有保护数据的作用，也能避免代码中不必要的副作用。
Python中的内置不可变数据类型有：元组（tuple）、字符串（string）、数值型（number），它们都不允许在初始化之后进行修改。然而，Python中并没有内置的不可变字典类型。为了弥补这个缺陷，我们可以自己实现不可变字典。
2. 实现inmutabledict的思路
实现inmutabledict需要满足两个条件：
不允许在初始化之后进行修改
可以像普通字典一样进行键值对的添加、删除和查询等操作
要实现不可变字典，我们需要使用Python中的内置不可变数据类型，并通过一些技巧来封装它们。在Python中，元组中可以放置多个元素，因此我们可以将键值对封装成一个元组，之后将多个元组封装成一个元组序列（tuple of tuples）。这个序列将会作为不可变字典的数据载体，其中每个元组包含一个键和对应的值。
2.1 初始化类
我们将不可变字典的数据载体（元组序列）封装成一个类的成员变量，并在初始化方法（__init__）中传入键值对的参数。为了能够在初始化之后进行相关操作（如查询），我们还需要将这些键值对转化为一个普通字典，其中的每个元素都是原字典的元素的引用。
class InmutableDict:
def __init__(self, *args, **kwargs):
self._data = tuple((k, v) for k, v in dict(*args, **kwargs).items())
2.2 实现API
在上述初始化中，我们将字典转化为元组序列（tuple of tuples），并使其成为不可变字典对象的成员变量。这个元组序列可以被用于查询操作。然而，为了实现更方便的访问方式，我们需要实现一些API。
2.2.1 实现__getitem__方法
在实际的使用中，我们需要通过键来访问不可变字典中的值。因此，我们需要实现__getitem__方法。在这个方法中，我们将传入的键与每个键值对的键进行比较，如果相同，则返回对应的值；否则，抛出异常。
def __getitem__(self, key):
for k, v in self._data:
if k == key:
return v
raise KeyError(key)
2.2.2 实现__len__方法
我们需要知道不可变字典的大小，这就需要实现__len__方法。在这个方法中，我们只需要返回元组序列（数据载体）的长度即可。
def __len__(self):
return len(self._data)
2.2.3 实现__iter__方法
如果不可变字典需要遍历，我们可以在__iter__方法中迭代元组序列，并依次返回其中的键。
def __iter__(self):
for k, _ in self._data:
yield k
2.2.4 实现get方法
与普通字典一样，不可变字典也需要实现get方法。在这个方法中，我们需要处理如下两种情况：
如果键不存在，返回默认值；
如果键存在，返回对应的值。
def get(self, key, default=None):
try:
return self[key]
except KeyError:
return default
2.2.5 实现keys方法
keys方法将返回不可变字典中所有键的迭代器。
def keys(self):
return iter(self)
2.2.6 实现values方法
values方法将返回不可变字典中所有值的迭代器。
def values(self):
for _, v in self._data:
yield v
2.2.7 实现items方法
items方法将返回不可变字典中所有键值对的元组的迭代器。
def items(self):
return iter(self._data)
2.3 实现不可变字典的行为
在上述实现中，我们完成了一个大部分行为和普通字典类似的不可变字典实现。然而，这个实现中还有一些缺陷。在以下代码中，我们可以看到，尽管初始化时使用了不可变元组作为数据载体（_data），但我们仍然可以对其中的键值对进行修改。
inmutable_dict = InmutableDict(a=1, b=2, c=3)
print(inmutable_dict)
>>>{'a': 1, 'b': 2, 'c': 3}
inmutable_dict._data = (('a', 2), ('b', 4), ('c', 6))
print(inmutable_dict)
>>>{'a': 2, 'b': 4, 'c': 6}
在这个例子中，我们直接修改了不可变字典对象的成员变量_data，从而破坏了不可变字典的性质。
为了避免这个问题，我们可以在类的定义中将_data变成私有变量，并在实现类方法的时候，使用属性（property）来封装这个成员变量。这样封装后，外部就不能直接修改这个变量，只能通过类方法来进行相关的操作。
2.4 加入哈希表
我们的不可变字典已经实现了大部分功能，但是，我们发现其无法作为字典的键值，这是因为Python中字典的键必须是可哈希的。为了能够使用不可变字典作为字典的键值，我们需要实现___hash__方法。
由于元组是可哈希的，因此我们将不可变字典的元素转化为一个元组，然后计算元组的哈希值作为不可变字典的哈希值。
class InmutableDict:
def __init__(self, *args, **kwargs):
self._data = tuple((k, v) for k, v in dict(*args, **kwargs).items())
@property
def data(self):
return self._data
def __getitem__(self, key):
for k, v in self._data:
if k == key:
return v
raise KeyError(key)
def __len__(self):
return len(self._data)
def __iter__(self):
for k, _ in self._data:
yield k
def get(self, key, default=None):
try:
return self[key]
except KeyError:
return default
def keys(self):
return iter(self)
def values(self):
for _, v in self._data:
yield v
def items(self):
return iter(self._data)
def __hash__(self):
return hash(self._data)
def __eq__(self, other):
return isinstance(other, InmutableDict) and self._data == other._data
inmutable_dict = InmutableDict(a=1, b=2, c=3)
dictionary = {}
dictionary[inmutable_dict] = "Hello World"
print(dictionary[inmutable_dict])
3. 不可变字典的应用
不可变字典在Python中通常用于作为常量字典，其元素的值不可修改，以保证程序的稳定性和正确性。在以下代码中，我们利用不可变字典实现了一个简单的状态机。
状态机（State machine）是一种非常高效和可扩展的编程模式，它通过一系列状态和转移条件的定义来精确地描述复杂的业务流程。状态机通常被用于Web应用程序的逻辑控制、机器人的行为控制、多人游戏的逻辑等方面。
class StateMachine:
STATES = InmutableDict(
START="Start",
RUNNING="Running",
STOPPED="Stopped"
)
def __init__(self):
self.state = self.STATES.START
def start(self):
if self.state == self.STATES.START:
self.state = self.STATES.RUNNING
print("State: Running")
else:
print("State: %s is not valid. Please call stop() method first." % self.state)
def stop(self):
if self.state == self.STATES.RUNNING:
self.state = self.STATES.STOPPED
print("State: Stopped")
else:
print("State: %s is not valid. Please call start() method first." % self.state)
state_machine = StateMachine()
state_machine.start()
state_machine.stop()
在这个例子中，我们使用不可变字典作为状态机中的状态，其值在初始化之后不会发生改变。这就保证了状态机的稳定性和正确性。同时，由于使用了不可变字典，状态机的状态可以被序列化、存储和传递，从而方便地与其它系统进行集成。
4. 总结
本文介绍了如何实现Python中的不可变字典。不可变字典是一种可以保护数据、避免副作用的数据结构。同时，不可变字典还可以被用于实现常量字典、状态机等应用。在实现中，我们使用了元组序列（tuple of tuples）来作为不可变字典的数据载体，实现了许多类似于普通字典的API。此外，我们还需要实现哈希表方法（__hash__和__eq__），使不可变字典可以作为字典的键值。最后，我们利用不可变字典实现了一个简单的状态机，展示了不可变字典在实际应用中的价值。