R語言面向?qū)ο缶幊?/h5>

2017-05-08

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R語言面向?qū)ο缶幊?/span>

面向?qū)ο笫且环N對現(xiàn)實世界理解和抽象的方法，當(dāng)代碼復(fù)雜度增加難以維護(hù)的時候，面向?qū)ο缶蜁@得非常重要。我經(jīng)歷過Java和Javascript兩種語言從面向過程到面向?qū)ο笏悸返母脑欤⒏杏X這種變化也會出現(xiàn)在R語言中。在工業(yè)界的引導(dǎo)下，R將走向大規(guī)則的企業(yè)應(yīng)用，因此面向?qū)ο蟮木幊谭绞綄⒊蔀?a href='/map/r/' style='color:#000;font-size:inherit;'>R語言的一種非常重要的發(fā)展方向，動起來迎接R的進(jìn)步。
目錄
    什么是面向?qū)ο螅?br />     R為什么要進(jìn)行面向?qū)ο缶幊?
    R的面向?qū)ο缶幊?br />     與其他語言的對比
1 什么是面向?qū)ο螅?br /> 面向?qū)ο笫且环N對現(xiàn)實世界理解和抽象的方法，是計算機(jī)編程技術(shù)發(fā)展到一定階段后的產(chǎn)物。早期的計算機(jī)編程是基于面向過程的方法，例如實現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算2+3+4=9，通過設(shè)計一個算法就可以解決當(dāng)時的問題。
隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷提高，計算機(jī)被用于解決越來越復(fù)雜的問題。一切事物皆對象，通過面向?qū)ο蟮姆绞?，將現(xiàn)實世界的事物抽象成對象，現(xiàn)實世界中的關(guān)系抽象成類、繼承，幫助人們實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的抽象與數(shù)字建模。通過面向?qū)ο蟮姆椒?，更利于用人理解的方式對?fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計與編程。同時，面向?qū)ο竽苡行岣呔幊痰男?，通過封裝技術(shù)，消息機(jī)制可以像搭積木的一樣快速開發(fā)出一個全新的系統(tǒng)。面向?qū)ο笫侵敢环N程序設(shè)計范型，同時也是一種程序開發(fā)的方法。對象指的是類的集合。它將對象作為程序的基本單元，將程序和數(shù)據(jù)封裝其中，以提高軟件的重用性、靈活性和擴(kuò)展性。

面向?qū)ο蟮?個特征：封裝，繼承，多態(tài)

封裝：是把客觀事物封裝成抽象的類，并且類可以把自己的數(shù)據(jù)和方法只讓可信的類或者對象操作，對不可信的進(jìn)行信息隱藏。

我們通過面向?qū)ο蟮乃枷耄x老師和學(xué)生兩個對象，并分別定義老師和學(xué)生的行為。

    老師的行為：講課，布置作業(yè)，批作業(yè)

    學(xué)生的行為：聽課，寫作業(yè)，考試

通過封裝就把兩個客觀事物進(jìn)行了抽象，并設(shè)置了事情的行為。

繼承：子類自動共享父類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法的機(jī)制，這是類之間的一種關(guān)系。在定義和實現(xiàn)一個類的時候，可以在一個已經(jīng)存在的類的基礎(chǔ)之上來進(jìn)行，使用現(xiàn)有類的所有功能，并在無需重新編寫原來的類的情況下對這些功能進(jìn)行擴(kuò)展。通過繼承創(chuàng)建的新類稱為“子類”或“派生類”；被繼承的類稱為“基類”、“父類”或“超類”。

通常每門課都會從學(xué)生中選出這門課的課代表，來幫助老師和其他同學(xué)的溝通。課代表會有一些比普通同學(xué)更多特權(quán)。通過繼承關(guān)系，把普通同學(xué)和課代表區(qū)別為兩個子類，課代表不僅有普通同學(xué)的行為，還有幫助老師批作業(yè)的行為。

多態(tài): 指由繼承而產(chǎn)生的相關(guān)的不同的類，其對象對同一消息會做出不同的響應(yīng)。

臨近期末考試時，總有考的好的同學(xué)和考的不好的同學(xué)。所以，對于優(yōu)等生來說，他的考試結(jié)果是優(yōu)；次等生，考試結(jié)果就不是太好。相同行為對于由繼承而產(chǎn)生的相關(guān)的不同的對象，結(jié)果是不同的。

所以，通過面向?qū)ο蟮乃枷?，我們可以把客觀世界的事物都進(jìn)行抽象。

is a 和 has a

在客觀世界中有若干類，這些類之間有一定的結(jié)構(gòu)關(guān)系。通常有兩種主要的結(jié)構(gòu)關(guān)系，is a，和 has a。

    is a: 為繼承關(guān)系，比如 菱形、圓形和方形都是一種形狀

    has a：為組合關(guān)系或聚合關(guān)系，比如 電腦是由顯示器、CPU、硬盤等組成

2 R為什么要進(jìn)行面向?qū)ο缶幊?

R主要面向統(tǒng)計計算，而且代碼量一般不會很大，幾十行，幾百行，使用面向過程的編程方法就可以很好地完成編程的任務(wù)。

不過，雖然R語言的持續(xù)手熱，伴隨著越來越多的工程背景的人的加入，R語言開始向更多的領(lǐng)域發(fā)展。原來的少量的代碼的面向過程的編碼方式，會越來越難以維護(hù)海量代碼的項目，所以必須有一種新的編程方式來代碼原來的面向過程的編碼思路，這種新的編程方式就是面向?qū)ο缶幊?Object Oriented Programming, OOP)。

面向?qū)ο缶幊?，早在C++/Java時代就被廣泛使用了，幾乎90%以上的Java框架都是按面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計的；8年前Javascript各種面向過程編碼讓前端開發(fā)困難重重，直到Google的Gmail的Web端出現(xiàn)，才讓大家認(rèn)識到原來Javascript也可以面向?qū)ο缶幊?，隨后的jQuery, ExtJS等類庫的完全面向?qū)ο蟮膶崿F(xiàn)，終于讓Javascript承得起前端的天空，后來的Node的誕生更是讓Javascript拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。

當(dāng)R語言被大家所看好的同時，我們也要開始思考，如何才能讓R成為工業(yè)界的開發(fā)語言？應(yīng)用如何構(gòu)建非統(tǒng)計計算的項目？如何用R有效的編寫10萬行以上的代碼？

我想這個答案就是以面向?qū)ο筮M(jìn)行編程，現(xiàn)在的R就像8年前的Javascript，需要大公司和牛人來推動。從我的觀察來看，以Hadley Wickham為代表的R語言領(lǐng)軍人物，已經(jīng)開始在R包中全面引入面向?qū)ο笏悸愤M(jìn)行R包的開發(fā)了。以面向?qū)ο笏枷腴_發(fā)的R包memoise，請參考文章：R語言本地緩存memoise

3 R的面向?qū)ο缶幊?br />
R的面向?qū)ο缶幊淌腔诜盒秃瘮?shù)(generic function)的，而不是基于類層次結(jié)構(gòu)。接下來，我從面向?qū)ο蟮?個特征入手，分別用R語言進(jìn)行實現(xiàn)，使用的案例為上文中，老師和學(xué)生的3幅圖。

3.1 R語言實現(xiàn)封裝

# 定義老師對象和行為
> teacher <- function(x, ...) UseMethod("teacher")
> teacher.lecture <- function(x) print("講課")
> teacher.assignment <- function(x) print("布置作業(yè)")
> teacher.correcting <- function(x) print("批改作業(yè)")
> teacher.default<-function(x) print("你不是teacher")

# 定義同學(xué)對象和行為
> student <- function(x, ...) UseMethod("student")
> student.attend <- function(x) print("聽課")
> student.homework <- function(x) print("寫作業(yè)")
> student.exam <- function(x) print("考試")
> student.default<-function(x) print("你不是student")

# 定義兩個變量，a老師和b同學(xué)
> a<-'teacher'
> b<-'student'

# 給老師變量設(shè)置行為
> attr(a,'class') <- 'lecture'
# 執(zhí)行老師的行為
> teacher(a)
[1] "講課"

# 給同學(xué)變量設(shè)置行為
> attr(b,'class') <- 'attend'
# 執(zhí)行同學(xué)的行為
> student(b)
[1] "聽課"

> attr(a,'class') <- 'assignment'
> teacher(a)
[1] "布置作業(yè)"

> attr(b,'class') <- 'homework'
> student(b)
[1] "寫作業(yè)"
 
> attr(a,'class') <- 'correcting'
> teacher(a)
[1] "批改作業(yè)"
 
> attr(b,'class') <- 'exam'
> student(b)
[1] "考試"

# 定義一個變量，既是老師又是同學(xué)
> ab<-'student_teacher'
# 分別設(shè)置不同對象的行為
> attr(ab,'class') <- c('lecture','homework')
# 執(zhí)行老師的行為
> teacher(ab)
[1] "講課"
# 執(zhí)行同學(xué)的行為
> student(ab)
[1] "寫作業(yè)"

3.2 R語言實現(xiàn)繼承


# 給同學(xué)對象增加新的行為
> student.correcting <- function(x) print("幫助老師批改作業(yè)")

# 輔助變量用于設(shè)置初始值
> char0 = character(0)

# 實現(xiàn)繼承關(guān)系
> create <- function(classes=char0, parents=char0) {
+     mro <- c(classes)
+     for (name in parents) {
+         mro <- c(mro, name)
+         ancestors <- attr(get(name),'type')
+         mro <- c(mro, ancestors[ancestors != name])
+     }
+     return(mro)
+ }

# 定義構(gòu)造函數(shù)，創(chuàng)建對象
> NewInstance <- function(value=0, classes=char0, parents=char0) {
+     obj <- value
+     attr(obj,'type') <- create(classes, parents)
+     attr(obj,'class') <- c('homework','correcting','exam')
+     return(obj)
+ }

# 創(chuàng)建父對象實例
> StudentObj <- NewInstance()

# 創(chuàng)建子對象實例
> s1 <- NewInstance('普通同學(xué)',classes='normal', parents='StudentObj')
> s2 <- NewInstance('課代表',classes='leader', parents='StudentObj')

# 給課代表，增加批改作業(yè)的行為
> attr(s2,'class') <- c(attr(s2,'class'),'correcting')

# 查看普通同學(xué)的對象實例
> s1
[1] "普通同學(xué)"
attr(,"type")
[1] "normal"     "StudentObj"
attr(,"class")
[1] "homework"   "attend" "exam"      

# 查看課代表的對象實例
> s2
[1] "課代表"
attr(,"type")
[1] "leader"     "StudentObj"
attr(,"class")
[1] "homework"   "attend" "exam"       "correcting"

3.3 R語言實現(xiàn)多態(tài)


# 創(chuàng)建優(yōu)等生和次等生，兩個實例
> e1 <- NewInstance('優(yōu)等生',classes='excellent', parents='StudentObj')
> e2 <- NewInstance('次等生',classes='poor', parents='StudentObj')

# 修改同學(xué)考試的行為，大于85分結(jié)果為優(yōu)秀，小于70分結(jié)果為及格
> student.exam <- function(x,score) {
+     p<-"考試"
+     if(score>85) print(paste(p,"優(yōu)秀",sep=""))
+     if(score<70) print(paste(p,"及格",sep=""))
+ }

# 執(zhí)行優(yōu)等生的考試行為，并輸入分?jǐn)?shù)為90
> attr(e1,'class') <- 'exam'
> student(e1,90)
[1] "考試優(yōu)秀"

# 執(zhí)行次等生的考試行為，并輸入分?jǐn)?shù)為66
> attr(e2,'class') <- 'exam'
> student(e2,66)
[1] "考試及格"

這樣通過R語言的泛型函數(shù)，我們就實現(xiàn)了面向?qū)ο蟮木幊獭?br />
4 R的面向過程編程

接下來，我們再次對比用R語言用面向過程實現(xiàn)上面的邏輯。


4.1 定義老師和同學(xué)兩個對象和行為


# 輔助變量用于設(shè)置初始值
> char0 = character(1)

# 定義老師對象和行為
> teacher_fun<-function(x=char0){
+     if(x=='lecture'){
+         print("講課")
+     }else if(x=='assignment'){
+         print("布置作業(yè)")
+     }else if(x=='correcting'){
+         print("批改作業(yè)")
+     }else{
+         print("你不是teacher")
+     }
+ }

# 定義同學(xué)對象和行為
> student_fun<-function(x=char0){
+     if(x=='attend'){
+         print("聽課")
+     }else if(x=='homework'){
+         print("寫作業(yè)")
+     }else if(x=='exam'){
+         print("考試")
+     }else{
+         print("你不是student")
+     }
+ }

# 執(zhí)行老師的一個行為
> teacher_fun('lecture')
[1] "講課"

# 執(zhí)行同學(xué)的一個行為
> student_fun('attend')
[1] "聽課"

4.2 區(qū)別普通同學(xué)和課代表的行為


# 重定義同學(xué)的函數(shù)，增加角色判斷
> student_fun<-function(x=char0,role=0){
+     if(x=='attend'){
+         print("聽課")
+     }else if(x=='homework'){
+         print("寫作業(yè)")
+     }else if(x=='exam'){
+         print("考試")
+     }else if(x=='correcting'){
+         if(role==1){#課代表
+             print("幫助老師批改作業(yè)")  
+         }else{
+             print("你不是課代表")  
+         }
+     }else{
+         print("你不是student")
+     }
+ }

# 以普通同學(xué)的角色，執(zhí)行課代表的行為
> student_fun('correcting')
[1] "你不是課代表"

# 以課代表的角色，執(zhí)行課代表的行為
> student_fun('correcting',1)
[1] "幫助老師批改作業(yè)"

我在修改student_fun()函數(shù)的同時，已經(jīng)增加了原函數(shù)的復(fù)雜度。


4.3 參加考試，以成績區(qū)別出優(yōu)等生和次等生


# 修改同學(xué)的函數(shù)定義，增加考試成績參數(shù)
> student_fun<-function(x=char0,role=0,score){
+     if(x=='attend'){
+         print("聽課")
+     }else if(x=='homework'){
+         print("寫作業(yè)")
+     }else if(x=='exam'){
+         p<-"考試"
+         if(score>85) print(paste(p,"優(yōu)秀",sep=""))
+         if(score<70) print(paste(p,"及格",sep=""))
+     }else if(x=='correcting'){
+         if(role==1){#課代表
+             print("幫助老師批改作業(yè)")  
+         }else{
+             print("你不是課代表")  
+         }
+     }else{
+         print("你不是student")
+     }
+ }

# 執(zhí)行考試函數(shù)，考試成績?yōu)榇笥?5分，為優(yōu)等生
> student_fun('exam',score=90)
[1] "考試優(yōu)秀"

# 執(zhí)行考試函數(shù)，考試成績?yōu)樾∮?0分，為次等生
> student_fun('exam',score=66)
[1] "考試及格"
我再一次用面向過程的代碼，實現(xiàn)了整個的編輯邏輯。再用到面向過程來寫程序的時候，每一次的需求變化，都需要對原始代碼進(jìn)行修改，從而不僅增加了復(fù)雜度，而且不利于長久的維護(hù)。更多思考留給了大家！
本文拋磚引玉地講了R語言的面向?qū)ο蟮木幊?，其中部分代碼有些不夠嚴(yán)謹(jǐn)，本文只希望給大家思路上的認(rèn)識，更具體的面向?qū)ο缶幊虒嵗?，會在以后的文章中進(jìn)行討論。

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