理解Python中的类型不兼容性：为什么 `dict[int, int]` 不兼容 `dict[int, int | str]`

在使用Python的类型提示时，开发者可能会遇到一些看似不合理的类型不兼容错误。一个典型的问题是，为什么 dict[int, int] 不能赋值给 dict[int, int | str]。本文将详细探讨这个问题，并提供一些解决方法。

例子分析

考虑以下代码片段：

import typing

# 定义两个字典
a: dict[int, int] = {}
b: dict[int, int | str] = a  # 这里会报错
c: typing.Mapping[int, int | str] = a  # 这里正常
d: typing.Mapping[int | str, int] = a  # 这里也会报错

针对这段代码，Pylance（Python的一个静态类型检查工具）会给出如下错误信息：Expression of type "dict[int, int]" is incompatible with declared type "dict[int, int | str]"。错误的主要原因是类型参数 _VT@dict 是不变（invariant）的，而 int 不等于 int | str。

为什么会报错？

要理解为什么会报错，需要理解Python类型系统的协变与逆变概念。

不变性 (Invariance)

在Python中，dict 的类型参数（key和value）是不变的。这意味着，dict[A, B] 和 dict[A, C] 只有在 B 等于 C 时才相互兼容。因此，将 dict[int, int] 赋值给 dict[int, int | str] 会导致类型不兼容错误。

例如：

a: dict[int, int] = {}
b: dict[int, int | str] = a  # 这里会导致类型不兼容错误

如果允许这种赋值，那么就可以执行如下代码：

b[1] = "x"  # 因为 b 被声明为可以存储 int 或 str
assert isinstance(a[1], int)  # 这将失败，因为 a[1] 现在是字符串

这种情况下，a 作为一个 dict[int, int]，理论上只应该包含整数，但实际上却可能包含字符串，违反了类型系统的约定。

映射类型 (Mapping)

相比之下，typing.Mapping 类型在value类型上时协变的。协变指的是，如果类型 B 是 A 的子类型，那么 Mapping[int, B] 也是 Mapping[int, A] 的子类型。因此，以下代码是可行的：

c: typing.Mapping[int, int | str] = a  # 这里正常

由于 Mapping 是一个只读接口，不支持对数据进行修改，所以不会发生像上面提到的修改b却影响a的问题，从而避免了类型安全问题。

解决方法

使用 Mapping 或 MutableMapping

如果需要一个只读的字典接口，可以使用 typing.Mapping 类型；如果需要一个可变的字典接口，可以使用 typing.MutableMapping 类型。

from typing import MutableMapping

a: dict[int, int] = {}
e: MutableMapping[int, typing.Any] = a  # 使用 Any 类型暂时绕过类型检查

然而，使用 Any 可能会导致潜在的类型安全问题，所以需要谨慎使用。

函数参数类型声明

如果一个函数需要接受任意类型的字典，可以使用广义类型声明：

from typing import MutableMapping, Any

def process_dict(d: MutableMapping[int, Any]):
    # 处理字典的逻辑
    pass

a: dict[int, int] = {}
process_dict(a)  # 可以正确传递

总结

在Python的类型系统中，dict 类型的参数是不变的，这意味着不能将 dict[int, int] 赋值给 dict[int, int | str]。理解并正确使用类型系统的各种类型（如 Mapping 和 MutableMapping），可以帮助我们编写更安全和健壮的代码。