R语言基于R6的面向对象编程


要成为有理想的极客,我们不能停留在语法上,要掌握牢固的数学,概率,统计知识,同时还要有创新精神,把R语言发挥到各个领域。让我们一起动起来吧,开始R的极客理想。

R语言基于R6的面向对象编程

前言

R6是什么?听说过S3、S4和RC(R5)的面向对象类型 ,R6难道是一种新的类型吗?

其实,我也是在无意中发现R6的。R6是R语言的一个面向对象的R包,R6类型非常接近于RC类型(Reference classes),但比RC类型更轻,由于R6不依赖于S4的对象系统,所以用R6的构建面向对象系统会更加有效率。

目录

  1. 初识R6
  2. 创建R6类和实例化对象
  3. R6类的主动绑定
  4. R6类的继承关系
  5. R6类的对象的静态属性
  6. R6类的可移植类型
  7. R6类的动态绑定
  8. R6类的打印函数
  9. 实例化对象的存储
  10. R6面向对象系统的案例

1. 初识R6

R6是一个单独的R包,与我们熟悉的原生的面向对象系统类型S3,S4RC类型不一样。在R语言的面向对象系统中,R6类型与RC类型是比较相似的,但R6并不基于S4的对象系统,因此我们在用R6类型开发R包的时候,不用依赖于methods包,而用RC类型开发R包的时候则必须设置methods包的依赖,在发布gridgame游戏包 文章中,就会出现RC依赖于methods包的使用情况。

R6类型比RC类型更符合其他编程对于面向对象的设置,支持类的公有成员和私有成员,支持函数的主动绑定,并支持跨包的继承关系。由于RC类型的面向对象系统设计并不彻底,所以才会有R6这样的包出现。下面就让我们体会一下,基于R6面向对象系统编程吧。

2. 创建R6类和实例化对象

本文的系统环境

  • Win7 64bit
  • R: 3.1.1 x86_64-w64-mingw32/x64 (64-bit)

我们先安装R6包,同时为了方便我们检查对象的类型,引入pryr包作为辅助工具。关于pryr包的介绍,请参看撬动R内核的高级工具包pryr一文。


~ R                         # 启动R程序
> install.packages("R6")    # 安装R6包
> library(R6)               # 加载R6包
> library(pryr)             # 加载pryr包

注:R6同时支持Win7环境和Linux环境

2.1 如何创建R6类?

R6对象系统是以类为基本类型, 有专门的类的定义函数 R6Class() 和 实例化对象的生成方法,下面我们用R6对象系统创建一个类。

先查看R6的类创建函数R6Class()函数的定义。


> R6Class
function (classname = NULL, public = list(), private = NULL,
    active = NULL, inherit = NULL, lock = TRUE, class = TRUE,
    portable = TRUE, parent_env = parent.frame())

参数列表:

  • classname 定义类名。
  • public 定义公有成员,包括公有方法和属性。
  • private 定义私有成员,包括私有方法和属性。
  • active 主动绑定的函数列表。
  • inherit 定义父类,继承关系。
  • lock 是否上锁,如果上锁则用于类变量存储的环境空间被锁定,不能修改。
  • class 是否把属性封装成对象,默认是封装,如果选择不封装,类中属性存存在一个环境空间中。
  • portable 是否为可移植类型,默认是可移植型类,类中成员访问需要用调用self和private对象。
  • parent_env 定义对象的父环境空间。

从R6Class()函数的定义来看,参数比RC类定义函数的setRefClass()函数有更多的面对对象特征。

2.2 创建R6的类和实例化对象

我们先创建一个最简单的R6的类,只包括一个公有方法。


> Person  Person                   # 查看Person的定义
<Person> object generator
  Public:
    hello: function
  Parent env: 
  Lock: TRUE
  Portable: TRUE

> class(Person)             # 检查Person的类型
[1] "R6ClassGenerator"

接下来,实例化Person对象,使用$new()函数完成。


> u1<-Person$new()   # 实例化一个Person对象u1
> u1                 #查看u1对象
<Person>
  Public:
    hello: function
> class(u1)           # 检查u1的类型
[1] "Person" "R6"

通过pryr包的otype检查Person类的类型和u1对象的实例化类型。


> otype(Person)   # 查看Person类型
[1] "S3"
> otype(u1)       # 查看u1类型
[1] "S3"

完全没有想到的结果,Person和u1都是S3类型的。如果R6是基于S3系统构建的,那么其实就可以解释R6类型与RC类型的不同,并且R6在传值和继承上会更有效率。

2.3 公有成员和私有成员

类的成员,包括属性和方法2部分。R6类定义中,可以分开设置公有成员和私有成员。我们设置类的公有成员,修改Person类的定义,在public参数中增加公有属性name,并通过hello()方法打印name的属性值,让这个R6的类更像是Java语言的JavaBean。在类中访问公有成员时,需要使用self对象进行调用。


> Person  conan  conan$hello()                         # 调用用hello()方法
[1] "Hello Conan"

接下来再设置类的私有成员,给Person类中增加private参数,并在公有函数有调用私有成员变量,调用私有成员变量时,要通过private对象进行访问。


> Person  conan  conan$hello()                               # 调用用hello()方法
[1] "Hello Conan"
[1] "Conan is Male"

在给Person类中增加私有成员时,通过private参数定义gender的私有属性和myGender()的私有方法。之得注意的是在类的内部,要访问私有成员时,需要用private对象进行调用。

那我直接访问公有属性和私有属性时,公有属性返回正确,而私有属性就是NULL值,并且访问私有方法不可见。


> conan$name            # 公有属性
[1] "Conan"
> conan$gender          # 私有属性
NULL
> conan$myGender()      # 私有方法
Error: attempt to apply non-function

进一步地,我们看看self对象和private对象,具体是什么。在Person类中,增加公有方法member(),在member()方法中分别打印self对象和private对象。


> Person 
> conan  conan$member()                            # 执行member()方法
<Person>                                    # print(self)的输出
  Public:
    hello: function
    initialize: function
    member: function
    name: Conan

<environment: 0x0000000008cfc918>          # print(private)的输出
[1] "gender"   "myGender"                  # print(ls(envir=private))的输出

从测试结果,我们可以看出self对象,就是实例化的对象本身。private对象则是一个的环境空间,是self对象所在环境空间的中的一个子环境空间,所以私有成员只能在当前的类中被调用,外部访问私有成员时,就会找不到。在环境空间中保存私有成员的属性和方法,通过环境空间的访问控制让外部调用无法使用私有属性和方法,这种方式是经常被用在R包开发上的技巧。

3. R6类的主动绑定

主动绑定(Active bindings)是R6中一种特殊的函数调用方式,把对函数的访问表现为对属性的访问,主动绑定是属于公有成员。在类定义中,通过设置active参数实现主动绑定的功能,给Person类增加两个主动绑定的函数active和rand。


> Person  conan  conan$num                   # 查看公有属性
[1] 100
> conan$active                # 调用主动绑定的active()函数,结果为 num +10= 100+10=100
[1] 110

给主动绑定的active函数传参数,这里传参数要用赋值符号”<-“,而不能是方法调用”()”。


> conan$active conan$num            # 查看公有属性num
[1] 50
> conan$active         # 调用主动绑定的active()函数,结果为 num+10=50+10=60
[1] 60
> conan$active(100)    # 如果进行方法调用,其实会提示没有这个函数的
Error: attempt to apply non-function

我们再来调用rand函数,看看执行情况。


> conan$rand           # 调用rand函数
[1] -0.4767338
> conan$rand
[1] 0.1063623
> conan$rand

我们直接使用rand()函数完全没有问题,但给rand()函数传参数的时候就出现了错误,由于rand()函数没有定义参数,所以这个操作是不允许的。

通过主动绑定,可以把函数的行为转换成属性的行为,让类中的函数操作更加灵活。

4. R6类的继承关系

继承是面向对象的基本特征,R6的面向对象系统也是支持继承的。当你创建一个类时,可以继承另一个类做为父类存在。

先创建一个父类Person,包括公有成员和私有成员。


> Person 

创建子类Worker继承父类Person,并在子类增加bye()公有方法。


> Worker 

实例化父类和子类,看看继承关系是不是生效了。


> u1<-Person$new("Conan","Male")        # 实例化父类
> u1$hello()
[1] "Hello Conan"
[1] "Conan is Male"

> u2<-Worker$new("Conan","Male")        # 实例化子类
> u2$hello()
[1] "Hello Conan"
[1] "Conan is Male"
> u2$bye()
[1] "bye Conan"

我们看到继承确实生效了,在子类中我们并没有定义hello()方法,子类实例u2可以直接使用hello()方法。同时,子类u2的bye()方法,到了在父类中定义的name属性,输出结果完全正确的。

接下来,我们在子类中定义父类的同名方法,然后再查看方法的调用,看看是否会出现继承中函数重写的特征。修改Worker类,在子类定义private的属性和方法。


> Worker 

实例化子类,调用hello()方法。


> u2<-Worker$new("Conan","Male")
> u2$hello()                    # 调用hello()方法
[1] "Hello Conan"
[1] "worker Conan is Male"

由于子类中的myGender()私有方法,覆盖了父类的myGender()私有方法,所以在调用hello()方法时,hello()方法中会调用子类中的myGender()方法实现,而忽略了父类中的myGender()方法。

如果在子类中想调用父类的方法,有一个办法是使用super对象,通过super$xx()的语法进行调用。


> Worker  u2<-Worker$new("Conan","Male")
> u2$hello()
[1] "Hello Conan"
[1] "Conan is Male"
[1] "worker Conan is Male"

在子类myGender()方法中,用super对象调用父类的myGender()方法,从输出可以看出,父类的同名方法也同时被调用了。

5. R6类的对象的静态属性

用面向对象的方法进行编程,那么所有变量其实都是对象,我们可以把一个实例化的对象定义成另一个类的属性,这样就形成了对象的引用关系链。

需要注意的一点是,当属性赋值为另一个R6的对象时,属性的值保存了对象的引用,而非对象实例本身。利用这个规则就可以实现对象的静态属性,也就是可以在多种不同的实例中是共享对象属性,类似于Java中的static属性一样。

下面用代码描述一下,就能很容易的理解。定义两个类A和B,A类中有一个公有属性x,B类中有一个公有属性a,a为A类的实例化对象。


> A 
> B 

运行程序,实现B实例化对象对A实例化对象的调用,并给x变量赋值。


> b  b$a$x  b$a$x                # 查看x变量的值
[1] 1

> b2  b2$a$x  b2$a$x               # 查看x变量的值
[1] 2

> b$a$x                # b实例的a对象的x值也发生改变
[1] 2

从输出结果可以看到,a对象实现了在多个b实例的共享,当b2实例修改a对象x值的时候,b实例的a对象的x值也发生了变化。

这里有一种写法,我们是应该要避免的,就是通过initialize()方法赋值。


> C  cc  cc$a$x  cc$a$x
[1] 1

> cc2  cc2$a$x  cc2$a$x
[1] 2

> cc$a$x        # x值未发生改变
[1] 1

通过initialize()构建是的a对象,是对单独的环境空间中的引用,所以不能实现引用对象的共享。

6. R6类的可移植类型

在R6类的定义中,portable参数可以设置R6类的类型为可移植类型和不可移植类型。可移植类型和不可移植类型主要有2个明显的特征。

  • 可移植类型支持跨R包的继承;不可移植类型,在跨R包继承的时候,兼容性不太好。
  • 可移植类型必须要用self对象和private对象来访问类中的成员,如self$x,private$y;不可移植类型,可以直接使用变量x,y,并通过<<-实现赋值。

本文中使用的是R6的最新版本2.0,所以默认创建的是可移植类型。所以,当我们要考虑是否有跨包继承的需求时,可以在可移植类型和不可移植类型之间进行选择。

我们比较一下RC类型,R6的可移植类型和R6的不可移植类型三者的区别,定义一个简单的类,包括一个属性x和两个方法getx(),setx()。


> RC  rc  rc$setx(10)
> rc$getx()
[1] 10

创建一个行为完全一样的不可移植类型的R6类。


> NR6  np6  np6$setx(10)
> np6$getx()
[1] 10

再创建一个行为完全一样的可移植类型的R6类。


> PR6  pr6  pr6$setx(10)
> pr6$getx()
[1] 10

从这个例子中,可移植类型的R6类和不可移植类型的区别在,就在于self对象的使用。

7. R6类的动态绑定

对于静态类型的编程语言来说,一旦类定义后,就不能再修改类中的属性和方法,像反射这样的高开销的特殊操作除外。 而对于动态类型的编程语言来说,通常不存在这样的限制,可以任意修改其类的结构或者已实例化的对象的结构。 R作为动态语言来说,同样是支持动态变量修改的,基于S3类型和S4类型可以通过泛型函数动态地增加函数定义,但RC类型是不支持的,再次感觉到了R语言中面向对象系统设计的奇葩了。

R6包已考虑这个情况,提供了一种动态设置成员变量的方法用$set()函数。


> A  A$set("public", "getx2", function() self$x*2)     # 动态增加getx2()方法
> s  s                     # 查看实例化对象的结构
<A>
  Public:
    getx: function
    getx2: function
    x: 1
> s$getx2()             # 调用getx2()方法
[1] 20

同样地,属性也可以动态修改,动态改变x属性的值。


> A$set("public", "x", 10, overwrite = TRUE)     # 动态改变x属性
> s  s$x                                            # 查看x属性
[1] 10
> s$getx()                                       # 调用getx()方法,可移植类型x变量丢失
Error in s$getx() : object 'x' not found

由于A类默认是可移植类型的,所以在使用x变量时应该通过self对象来访问,否则动态成员修改的时候,就会出现错误,我们把getx中的x改为self$x。


> A  A$set("public", "x", 10, overwrite = TRUE)
> s  s$x
[1] 10
> s$getx()                        # 调用getx()方法
[1] 10

对于可移植类型和不可移植类型,建议大家养成习惯都使用self和private对象进行访问。

8. R6类的打印函数

R6提供了用于打印的默认方法print(),每当要打印实例化对象时,都会调用这个默认的print()方法,有点类似于Java类中默认的toString()方法。

我们可以覆盖print()方法,使用自定义的打印提示。


> A  a  print(a)             # 使用默认的打印方法
<A>
  Public:
    getx: function
    x: 1

自定义打印方法,覆盖print()方法。


> A  of public ", ls(self), " :", sep="")
+        cat(ls(self), sep=",")
+        invisible(self)
+      }
+    )
+ )
> a  print(a)
Class <A> of public getxprintx :getx,print,x

通过自定义的方法,就可以覆盖系统默认的方法,从而输出我们想显示的文字。

9. 实例化对象的存储

R6是基于S3面向对象系统的构建,而S3类型又是一种比较松散的类型,会造成用户环境空间的变量泛滥的问题。R6提供了一种方式,设置R6Class()的class参数,把类中定义的属性和方法统一存储到一个S3对象中,这种方式是默认的。另一种方式为,把把类中定义的属性和方法统一存储到一个单独的环境空间中。

我们看查看一下默认的情况,class=TRUE,实例化后的a对象,就是一个S3的类。


> A  a  class(a)
[1] "A"  "R6"
> a
<A>
  Public:
    getx: function
    x: 1

当class=FALSE时,实例化后的a对象,是一个环境空间,在环境空间中存储了类的变量数据。


> B  b  class(b)
[1] "environment"
> b
<environment: 0x000000000d83c970>
> ls(envir=b)
[1] "getx" "x"

实例化对象的存储还有另外一方面的考虑,由于类中的变量都是存在于一个环境空间中的,我们也可以通过手动的方式找到这个环境空间,从而进行变量的增加或修改。 如果随意地对环境空间中的变量进行修改,那么会给我们的程序带来一些安全上的风险,所以为了预防安全上的问题,可以通过R6Class()的lock参数所定环境空间,不允许动态修改,默认值为锁定状态不能修改。


> A  s<-A$new()
> ls(s)         # 查看s环境空间的变量
[1] "x"
> s$aa rm("x",envir=s)       # 删除原有变量,错误
Error in rm("x", envir = s) :
  cannot remove bindings from a locked environment

如果不锁定环境空间,让lock=FALSE,则环境空间处于完全开放的状态,可以任意进行变量的修改。


> A  s<-A$new()
> ls(s)         # 查看s环境空间的变量
[1] "x"
> s$aa ls(s)
[1] "aa" "x"
> rm("x",envir=s)    # 删除变量
> ls(s)
[1] "aa"

通过上面对R6的介绍,我就基本掌握R6面向对象系统的知识。接下来,我们做一个简单的例子,应用一下R6的面向对象编程。

10. R6面向对象系统的案例

我们用R6的面向对象系统,来构建一个图书分类的使用案例。

任务一:定义图书的静态结构

以图书(book)为父类,包括R,Java,PHP 的3个分类,在book类中定义私有属性及公有方法。

R语言基于R6的面向对象编程

定义图书系统的数据结构,包括父类的结构 和 3种型类的图书。


> Book  R  Java  Php 

创建3个实例化对象,R语言图书《R的极客理想-工具篇》,JAVA语言图书《Java编程思想》,PHP语言图书《Head First PHP & MySQL》,并获得图书的定价。


> r1<-R$new("R的极客理想-工具篇",59,"R")
> r1$getPrice()
[1] 59

> j1<-Java$new("Java编程思想",108,"JAVA")
> j1$getPrice()
[1] 108

> p1<-Java$new("Head First PHP & MySQL",98,"PHP")
> p1$getPrice()
[1] 98

任务二:正逢双11对各类图书打折促销

我们设计一种打折规则,用来促进图书的销售,这个规则纯属虚构。

  • 所有图书9折
  • JAVA图书7折,不支持重复打折
  • 为了推动R图书的销售,R语言图书7折,并支持重复打折
  • PHP图书无特别优惠

根据打折规则,图书都可以被打折,那么打折就可以作为图书对象的一个行为,然后R, Java, PHP的3类图书,分别还有自己的打折规则,所以是一种多态的表现。

我们修改父类的定义,增加打折的方法discount(),默认设置为9折,满足第一条规则。


> Book 

3个子类,分别对应自己的打折规则,分别进行修改。

    • 给JAVA子类增加 discount()方法,用于覆盖父类的discount()方法,让JAVA图书7折,不支持重复打折,从而满足第二条规则。
    • 给R子类增加 discount()方法,在子类的discount()方法中调用父类的discount()方法,让支持 R图书7折和9折的折上折,从而满足第三条规则。
    • PHP子类,没有修改,完全遵循第一条规则的。

> Java  
> R  
> Php 

分别查看3本图书的折后价格。


> r1<-R$new("R的极客理想-工具篇",59,"R")
> r1$getPrice()
[1] "Price:59, Sell out:37.17"   # 59 * 0.9 *0.7= 37.17
>
> j1<-Java$new("Java编程思想",108,"JAVA")
> j1$getPrice()
[1] "Price:108, Sell out:75.6"    # 108 *0.7= 75.6
>
> p1<-Php$new("Head First PHP & MySQL",98,"PHP")
> p1$getPrice()
[1] "Price:98, Sell out:88.2"      # 98 *0.9= 88.2

R图书打折最多,享受7折和9折的折上折优惠, 59 * 0.9 * 0.7= 37.17;Java图书享受7折优惠,108 *0.7= 75.6;PHP图书享受9折优惠 98 *0.9= 88.2。

通过这个实例,我们用R6的方法实现了面向对象编程中的封装、继承和多态的3个特征,证明R6是一种完全的面向对象的实现。R6类对象系统,提供了一种可兼容的面向对象实现方式,更接近于其他的编程语言上的面向对象的定义,由于R6底层基于S3来实现的,所以比RC的类更加有效果。

我们一共介绍了4种R语言的面向对象体系结构,选择自己理解的,总有一种会适合你。


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