哈希（Hash）是一种将数据转换为固定大小的字符串或数字的过程，这个结果通常被称为哈希值或哈希码。在计算机科学中，哈希广泛用于数据存储、查找、验证等场景。哈希函数被设计用来均匀分布数据，使得数据搜索和存储更加高效。无论是在构建高效的数据结构如哈希表、字典、集合，还是在确保数据完整性与安全性（如密码存储和加密算法）方面，哈希技术都扮演着至关重要的角色。

接下来我们了解Python中的哈希（Hash），包括哈希函数（hash functions）、代码示例以及实际应用案例。

哈希（Hashing）简介

哈希（Hash）是一种将数据转换为固定大小字符串或数字的过程，这个结果通常被称为哈希值或哈希码。哈希函数的设计目标是均匀地分布数据，从而提升数据的搜索、存储和验证效率。在计算机科学中，哈希在数据索引和检索中起着至关重要的作用。它被广泛应用于哈希表、字典和集合等数据结构中，用于快速查找。此外，哈希还用于确保数据的完整性，防止信息被篡改，同时在密码存储等敏感信息的安全性方面发挥关键作用。由此可见，哈希在计算机科学中的应用极为广泛且重要。

哈希的常见应用包括：

• 数据存储 ：哈希用于哈希表中，实现高效的数据存储和快速检索。

• 数据完整性 ：通过生成唯一的哈希值，哈希可以确保数据在传输或存储过程中未被篡改。

• 安全性 ：在密码存储和加密算法中，哈希是确保数据安全的核心技术。

理解哈希函数（Hash Function）

哈希函数（Hash Function）接收输入并生成一个固定大小的哈希码。一个好的哈希函数应确保不同的输入生成唯一的哈希值，并将数据均匀分布在可用的哈希空间中。

好的哈希函数的特性

• 确定性 ：相同的输入总是生成相同的输出。

• 快速 ：哈希函数应能够快速计算出哈希值。

• 均匀分布 ：哈希值应均匀分布，避免出现集中的数据点。

• 最小化冲突 ：不同的输入应尽量避免生成相同的哈希值（即碰撞）。

Python 提供了内置的 hash() 函数，用于生成对象的哈希值。

哈希冲突：原因及处理

哈希冲突是指两个不同的输入生成了相同的哈希值。由于哈希函数的输出大小是固定的，而输入可以是任意大小的数据，因此特别是在处理大数据集时，始终存在发生冲突的可能性。

哈希冲突的原因

• 有限的哈希空间 ：哈希函数在有限的范围内生成哈希值，这意味着不同的输入可能映射到相同的哈希值。

• 哈希函数设计不良 ：设计不合理的哈希函数可能无法均匀分布哈希值，导致较高的冲突率。

我们看一个使用Python内置的 hash() 函数时导致冲突的例子（虽然这种情况不常见）：

print("hash('☺')  :",hash('☺'))  # 9786print("hash(':&') :",hash(':&'))hash('☺') == hash(':&')

当哈希冲突发生时，有几种常见的处理方法：

• 链式法 (Chaining) ：在这种方法中，所有哈希到相同值的元素被存储在一个链表或其他数据结构中。因此，所有发生冲突的元素共享哈希表中的同一索引，但仍然可以通过遍历链表来访问。

• 开放寻址法 (Open Addressing) ：该方法不在单个索引处存储多个值，而是当冲突发生时，哈希表会寻找下一个可用的插槽（地址）来存储冲突的元素。

哈希算法

哈希算法是哈希过程的核心，决定了输入数据如何被转换为固定大小的哈希值。常见的哈希算法各自具有不同的特性、用途和安全级别。以下是最常用的哈希算法、在 Python 中使用 hashlib 库进行示例。

MD5（ Message Digest Algorithm 5 ）：

• 输出长度 ：128 位哈希值（16 字节）。

• 使用场景 ：最初用于数据完整性检查和加密，但由于易于发生哈希冲突，现已不适用于加密用途。

• 常见应用 ：非安全相关的校验和，如生成文件的校验码以验证完整性。

• 输出长度 ：160 位哈希值（20 字节）。

• 使用场景 ：最初作为美国政府数字签名算法的一部分，但由于存在碰撞漏洞，现已不再推荐用于加密。

• 常见应用 ：遗留系统或安全性要求不高的应用中使用，但通常已不再推荐使用。

• 输出长度 ：256 位哈希值（32 字节）。

• 使用场景 ：作为 SHA-2 家族的一部分，SHA-256 目前是最广泛使用且安全的加密哈希算法之一。

• 常见应用 ：加密、区块链技术、密码等敏感信息的安全防护。

这些哈希算法通过应用一系列数学运算（如位移、逻辑运算（如异或）和消息压缩）处理输入数据。每个算法为每个输入生成唯一的固定大小输出（哈希），并且设计时确保即使输入有极小的变化，也会产生完全不同的哈希值。

示例1: Hashing with MD5

import hashlib
md5_hash = hashlib.md5()md5_hash.update(b"Hello, World!")print(f"MD5 Hash: {md5_hash.hexdigest()}")

示例2: Hashing with SHA-1

import