Почему кортеж с изменяемым элементом не может быть ключом в словаре Python

Что проверяют

Понимаете ли вы, что ключом объект делает не тип, а хешируемость, и как связаны __hash__ и __eq__. Уточняющий вопрос почти всегда один: в какой момент возникает ошибка, при создании кортежа или при вставке в словарь.

Как отвечать

Словарь ищет значение в два шага: по hash(key) вычисляет позицию в таблице, потом сравнивает кандидатов через ==. Значит хеш ключа обязан быть постоянным, а равные объекты обязаны давать равный хеш. Кортеж содержимое не копирует, его хеш считается рекурсивно по хешам элементов. Список нехешируем, у него __hash__ равен None, поэтому hash((1, [2, 3])) падает с TypeError: unhashable type: 'list'.

• когда именно падает: кортеж (1, [2, 3]) создаётся спокойно, ошибка возникает при хешировании: на d[key] = v, на key in d или при добавлении в множество;
• что было бы, работай это: положили ключ, изменили список внутри, хеш стал другим, а запись осталась в старой ячейке. Значение недостижимо, и in начинает врать;
• как чинить: приводить вложенное к неизменяемому. Список в кортеж, множество в frozenset, словарь в tuple(sorted(d.items())), если его содержимое тоже хешируемо;
• свои классы: @dataclass(frozen=True) получает __hash__ автоматически, а обычный @dataclass нет, потому что при eq=True Python выставляет __hash__ = None. То же правило работает и для написанного руками __eq__ без __hash__;
• важная поправка: неизменяемость и хешируемость это не синонимы. Экземпляр обычного класса изменяем, но хешируем, потому что базовый __hash__ производный от адреса объекта. И наоборот, float('nan') хешируется, но не равен сам себе, и достать такой ключ можно только по той же ссылке.

Где спотыкаются

Говорят «ключ должен быть неизменяемым» и на этом останавливаются. Правильная формулировка идёт через хешируемость, иначе не объяснить ни свои классы, ни frozenset.

Утверждают, что ошибка вылетит при создании кортежа. Проверяется в интерпретаторе за десять секунд и выдаёт заученный ответ.

Предлагают подменить ключ на str(key) или id(key). Строковое представление склеивает разные объекты и ломается на вложенности, а id переиспользуется после сборки мусора.