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R 中的对象与类

学习面向对象编程（OOP）、R 的对象、S3 与 S4 等不同类及其构建方式、如何创建泛型函数示例等内容。
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面向对象编程（OOP）是一种编程范式，它使用不同的方法围绕数据或对象来设计软件，而不是仅靠函数。在 OOP 语境中，方法其实就是函数。之所以称为面向对象，是因为所有处理都围绕对象及其字段展开。每个对象都有不同的属性和行为。

在面向对象编程中，整个程序可以被分成不同的类，从而更快理解程序的执行流程。R 是一门函数式编程语言，引入 OOP 有助于管理大型系统问题。OOP 常用于管理 GUI 应用，尤其是 Web 应用。面向对象编程非常适合构建数据分析工具，但并不适合直接进行数据分析本身。

OOP 的体系

主要有两种 OOP 体系，如下所述：

  • S3 类：支持对函数进行重载。
  • S4 类：可以对数据进行更严格的约束，但程序调试相对更难。

注意：这些类将在后文详细讨论。

R 中的对象

对象是类的实例。此外，在 R 中一切皆对象，欲了解更多，请参阅 R 的数据类型。对象也可以拥有诸如 class、attributes、dimnnames、names 等属性。

例如，对象通过 <-, 进行赋值。请看下面的代码片段，其中 “a1” 和 “a2” 是变量，被赋予数值。

a1 <- 10
a2 <- 20

对象也可以被赋为一组数字，其中 “a3” 是一个包含多个数字的向量对象。

a3 <- c(10,20,30)

这里的 c 将 10、20、30 组合成一个向量。

让我们来看一个真实场景：学生这个对象拥有姓名、年龄、年级和性别等属性；老师这个对象拥有姓名、年龄和性别等属性。

st_name <- "andrew"
st_age <- 16
st_class <- 10
st_gender <- "male"

t_name <- "angelina"
t_age <- 26
t_gender <- "female"

student <- c(st_name, st_age, st_class, st_gender)
teacher <- c(t_name, t_age, t_gender)


print(student)
print(teacher)

[1] "andrew" "16"     "10"     "male"  
[1] "angelina" "26"       "female"

上述代码会得到如下输出：

"andrew" "16" "10" "male"  
"angelina" "26"  "female"

从上面的示例可以看到，不同类型的对象。“student” 和 “teacher” 对象（也称变量）分别包含类型为 “character” 和 “double” 的值。

R 中的类

类是用于创建对象的蓝图，包含其成员变量及属性。

正如前文所述，R 有两种类体系：S3 和 S4。

S3 类

这些类通过将函数拆分为泛型与方法，从而实现函数重载。

函数 = 泛型 + 方法

S3 与 C#、Java 等其他编程语言非常不同。它实现起来非常简单，仅使用第一个参数进行分发。因此，从程序员角度看，它不需要太多预备知识。

S3 通过严格的命名约定 generic.dot.class 来工作。

                             generic.class

方法的参数应包含泛型的参数，且方法应包含 ...arg。

构建 S3 类及示例

下面的示例将演示如何构建一个 S3 类。示例展示了创建列表、传入组件、设置合适的类名，并打印结果。

如下所示，“studentBio” 是一个列表，组件以列表形式传入，分别为 “student_name”、“student_age” 和 “student_contact”。类名为 “Student Info”，“studentBio” 为新建的类实例，其值如下所示。

studentBio <- list(studentName = "Harry Potter", studentAge = 19, studentContact="London")
class(studentBio) <- "StudentInfo"
studentBio

$studentName
[1] "Harry Potter"

$studentAge
[1] 19

$studentContact
[1] "London"

attr(,"class")
[1] "StudentInfo"

上述代码将输出如下内容：

$studentName
 "Harry Potter"

$studentAge
19

$studentContact
"London"

attr(,"class")
"StudentInfo"

如果您对在 R 中编写函数还不熟悉，请阅读 R 函数使用教程！

在 S3 中创建自定义泛型方法

您将使用下面的代码实现一个泛型函数。

下面的代码展示了名为 “contact” 的泛型函数，将对象作为参数传入。同时，使用 “UseMethod” 与名为 “contact” 的泛型函数配合，以实现方法的“分发”，即根据传入参数的不同返回不同结果的过程。

contact <- function(object) {
UseMethod("contact")
}

接下来为先前创建的 “StudentInfo” 类编写一个对应的方法。方法名为 “contact”，后接点号与类名 “StudentInfo”。在函数体内，通过 “$” 访问属性 “studentContact”。

contact.StudentInfo <- function(object) {
cat("Your contact is", object$studentContact, "\n")
}
contact(studentBio)

Your contact is London

上述代码使用 object$studentContact，即将对象作为参数传入函数，并借助 “$” 访问属性 “studentContact”，输出结果如下。

Your contact is London

S4 类

S4 类更为严格、规范，更贴近面向对象概念。S4 的类由正式的类定义来表示。更具体地说，S4 为方法和泛型提供了 setter 和 getter 函数。与 S3 类相比，S4 能够支持多重分发。

下面将通过创建并讨论示例，来具体了解 R 中上述类。

S4 类通过 set class 函数定义。

 setClass()

构建 S4 类及示例

如前所述，S4 类通过 setClass() 方法定义。您将使用 setClass() 方法创建并定义 S4 类。我们将使用一个子程序来验证数据一致性（验证），并设置默认值（原型）。

以下为定义类及插槽的代码：

下面用于定义一个类（也称为 “prototype”），其中定义了插槽：类名为 “employee”，name 为 character，id 为 numeric，contact 为 character。

setClass("employee", slots=list(name="character", id="numeric", contact="character"))

以下代码可用于创建 S4 的具体实例或对象。

使用 “new” 并在其中指定类名 “employee”，为 name、id 和 contact 等插槽填充值，从而创建对象。

obj <- new("employee",name="Steven", id=1002, contact="West Avenue")
obj

An object of class "employee"
Slot "name":
[1] "Steven"

Slot "id":
[1] 1002

Slot "contact":
[1] "West Avenue"
An object of class "employee"
Slot "name":
"Steven"

Slot "id":
1002

Slot "contact":
"West Avenue"

以上输出表明，所创建的对象属于 "employee" 类；其 Slot "name" 为 "Steven"，Slot "id" 值为 1002，Slot "contact" 值为 "West Avenue"。

函数与命令

要检查某对象是否为 S4 对象，可使用以下两个命令：

命令 ‘is.object(obj)’ 用于检查某变量或实例是否引用一个对象。

is.object(obj)

TRUE

上述代码将输出如下结果：

TRUE

命令 ‘is.S4(obj)’ 用于检查某变量或实例是否为 S4 对象。

isS4(obj)

TRUE

上述代码将输出如下结果：

TRUE

访问与修改插槽值

访问插槽

插槽通过 "@" 访问，而不是使用 "$"。

使用 ‘obj@name’ 即对象名加插槽名来访问名称 “Steven”，‘obj@id’ 同理。

obj@name
obj@id

'Steven'

1002

上述代码将得到如下输出：

'Steven'
1002

修改插槽

使用赋值运算符（"<-"）即可修改插槽值，例如将 ‘obj@contact’ 赋为新值 "North Avenue"。

obj@contact <- "North Avenue"
obj

An object of class "employee"
Slot "name":
[1] "Steven"

Slot "id":
[1] 1002

Slot "contact":
[1] "North Avenue"

上述代码将得到如下输出：

An object of class "employee"
Slot "name":
"Steven"

Slot "id":
1002

Slot "contact":
"North Avenue"

从以上输出可见，Slot "contact" 的值已由先前的 "West Avenue" 改为 "North Avenue"。

另外，也可使用 ‘slot()’ 来修改值。

‘slot(obj, "id")’ 表示获取插槽 "id"，并将其赋值为 1004，随后用 ‘obj’ 打印结果。

slot(obj,"id") <- 1004
obj

An object of class "employee"
Slot "name":
[1] "Steven"

Slot "id":
[1] 1004

Slot "contact":
[1] "North Avenue"
An object of class "employee"
Slot "name":
"Steven"

Slot "id":
1004

Slot "contact":
"North Avenue"

以上输出显示，Slot "id" 的值已由 1002 改为 1004。

在 S4 中创建自定义泛型方法

我们来创建一个函数，使其按需打印输出。使用 ‘setMethod()’ 与泛型函数 ‘show()’。同时，通过 ‘@’ 访问所有插槽的值并打印其名称。最后，通过 ‘obj’ 获取输出。

setMethod("show",
"employee",
function(object) {
cat("Name:",object@name, "\n")
cat("Id:",object@id, "\n")
cat("Contact:", object@contact, "\n")
}
)
obj

Name: Steven
Id: 1004
Contact: North Avenue
Name: Steven
Id: 1004
Contact: North Avenue

以上输出表明，结果以插槽名及其对应值的形式打印。

恭喜

恭喜您，已完成本教程！

在本教程中，您学习了面向对象编程（OOP）、R 的对象、S3 与 S4 等不同类及其构建方式，并通过示例了解了如何创建泛型函数等内容。

如果您想进一步学习 R，请查看 DataCamp 的课程：

Object-Oriented Programming with S3 and R6 in R

主题

R数据科学