R語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊?/h5>

2017-05-08

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R語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊?/span>

面向?qū)ο笫且环N對(duì)現(xiàn)實(shí)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(shí)候，面向?qū)ο缶蜁?huì)顯得非常重要。我經(jīng)歷過(guò)Java和Javascript兩種語(yǔ)言從面向過(guò)程到面向?qū)ο笏悸返母脑?，并感覺(jué)這種變化也會(huì)出現(xiàn)在R語(yǔ)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(yǔ)言的一種非常重要的發(fā)展方向，動(dòng)起來(lái)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(yǔ)言的對(duì)比
1 什么是面向?qū)ο螅?br /> 面向?qū)ο笫且环N對(duì)現(xiàn)實(shí)世界理解和抽象的方法，是計(jì)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(jì)算機(jī)編程是基于面向過(guò)程的方法，例如實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算2+3+4=9，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)算法就可以解決當(dāng)時(shí)的問(wèn)題。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，計(jì)算機(jī)被用于解決越來(lái)越復(fù)雜的問(wèn)題。一切事物皆對(duì)象，通過(guò)面向?qū)ο蟮姆绞剑瑢F(xiàn)實(shí)世界的事物抽象成對(duì)象，現(xiàn)實(shí)世界中的關(guān)系抽象成類、繼承，幫助人們實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象與數(shù)字建模。通過(guò)面向?qū)ο蟮姆椒?，更利于用人理解的方式?duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與編程。同時(shí)，面向?qū)ο竽苡行岣呔幊痰男?，通過(guò)封裝技術(shù)，消息機(jī)制可以像搭積木的一樣快速開(kāi)發(fā)出一個(gè)全新的系統(tǒng)。面向?qū)ο笫侵敢环N程序設(shè)計(jì)范型，同時(shí)也是一種程序開(kāi)發(fā)的方法。對(duì)象指的是類的集合。它將對(duì)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(gè)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(duì)象操作，對(duì)不可信的進(jìn)行信息隱藏。

我們通過(guò)面向?qū)ο蟮乃枷耄x老師和學(xué)生兩個(gè)對(duì)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(tīng)課，寫作業(yè)，考試

通過(guò)封裝就把兩個(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)一個(gè)類的時(shí)候，可以在一個(gè)已經(jīng)存在的類的基礎(chǔ)之上來(lái)進(jìn)行，使用現(xiàn)有類的所有功能，并在無(wú)需重新編寫原來(lái)的類的情況下對(duì)這些功能進(jìn)行擴(kuò)展。通過(guò)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(huì)從學(xué)生中選出這門課的課代表，來(lái)幫助老師和其他同學(xué)的溝通。課代表會(huì)有一些比普通同學(xué)更多特權(quán)。通過(guò)繼承關(guān)系，把普通同學(xué)和課代表區(qū)別為兩個(gè)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(duì)象對(duì)同一消息會(huì)做出不同的響應(yīng)。

臨近期末考試時(shí)，總有考的好的同學(xué)和考的不好的同學(xué)。所以，對(duì)于優(yōu)等生來(lái)說(shuō)，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(duì)于由繼承而產(chǎn)生的相關(guān)的不同的對(duì)象，結(jié)果是不同的。

所以，通過(guò)面向?qū)ο蟮乃枷耄覀兛梢园芽陀^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(jì)計(jì)算，而且代碼量一般不會(huì)很大，幾十行，幾百行，使用面向過(guò)程的編程方法就可以很好地完成編程的任務(wù)。

不過(guò)，雖然R語(yǔ)言的持續(xù)手熱，伴隨著越來(lái)越多的工程背景的人的加入，R語(yǔ)言開(kāi)始向更多的領(lǐng)域發(fā)展。原來(lái)的少量的代碼的面向過(guò)程的編碼方式，會(huì)越來(lái)越難以維護(hù)海量代碼的項(xiàng)目，所以必須有一種新的編程方式來(lái)代碼原來(lái)的面向過(guò)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(shí)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(jì)的；8年前Javascript各種面向過(guò)程編碼讓前端開(kāi)發(fā)困難重重，直到Google的Gmail的Web端出現(xiàn)，才讓大家認(rèn)識(shí)到原來(lái)Javascript也可以面向?qū)ο缶幊?，隨后的jQuery, ExtJS等類庫(kù)的完全面向?qū)ο蟮膶?shí)現(xiàn)，終于讓Javascript承得起前端的天空，后來(lái)的Node的誕生更是讓Javascript拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。

當(dāng)R語(yǔ)言被大家所看好的同時(shí)，我們也要開(kāi)始思考，如何才能讓R成為工業(yè)界的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言？應(yīng)用如何構(gòu)建非統(tǒng)計(jì)計(jì)算的項(xiàng)目？如何用R有效的編寫10萬(wàn)行以上的代碼？

我想這個(gè)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(lái)推動(dòng)。從我的觀察來(lái)看，以Hadley Wickham為代表的R語(yǔ)言領(lǐng)軍人物，已經(jīng)開(kāi)始在R包中全面引入面向?qū)ο笏悸愤M(jìn)行R包的開(kāi)發(fā)了。以面向?qū)ο笏枷腴_(kāi)發(fā)的R包memoise，請(qǐng)參考文章：R語(yǔ)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(lái)，我從面向?qū)ο蟮?個(gè)特征入手，分別用R語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)封裝

# 定義老師對(duì)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(duì)象和行為
> student <- function(x, ...) UseMethod("student")
> student.attend <- function(x) print("聽(tīng)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(gè)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(tīng)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(gè)變量，既是老師又是同學(xué)
> ab<-'student_teacher'
# 分別設(shè)置不同對(duì)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)繼承


# 給同學(xué)對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)象實(shí)例
> StudentObj <- NewInstance()

# 創(chuàng)建子對(duì)象實(shí)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(duì)象實(shí)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(duì)象實(shí)例
> s2
[1] "課代表"
attr(,"type")
[1] "leader"     "StudentObj"
attr(,"class")
[1] "homework"   "attend" "exam"       "correcting"

3.3 R語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)多態(tài)


# 創(chuàng)建優(yōu)等生和次等生，兩個(gè)實(shí)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(guò)R語(yǔ)言的泛型函數(shù)，我們就實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮木幊獭?br />
4 R的面向過(guò)程編程

接下來(lái)，我們?cè)俅螌?duì)比用R語(yǔ)言用面向過(guò)程實(shí)現(xiàn)上面的邏輯。


4.1 定義老師和同學(xué)兩個(gè)對(duì)象和行為


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

# 定義老師對(duì)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(duì)象和行為
> student_fun<-function(x=char0){
+     if(x=='attend'){
+         print("聽(tīng)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(gè)行為
> teacher_fun('lecture')
[1] "講課"

# 執(zhí)行同學(xué)的一個(gè)行為
> student_fun('attend')
[1] "聽(tīng)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(tīng)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(shí)，已經(jīng)增加了原函數(shù)的復(fù)雜度。


4.3 參加考試，以成績(jī)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(jī)參數(shù)
> student_fun<-function(x=char0,role=0,score){
+     if(x=='attend'){
+         print("聽(tīng)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(jī)?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(jī)?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(guò)程的代碼，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)的編輯邏輯。再用到面向過(guò)程來(lái)寫程序的時(shí)候，每一次的需求變化，都需要對(duì)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(zhǎng)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(yǔ)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(shí)，更具體的面向?qū)ο缶幊虒?shí)例，會(huì)在以后的文章中進(jìn)行討論。

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