R語言：S4對象類型
前言linux
本文接上一篇文章 R語言基於S3的面向對象編程，本文繼續介紹R語言基於S4的面向對象編程。程序員
S4對象系統具備明顯的結構化特徵，更適合面向對象的程序設計。Bioconductor社區，以S4對象系統作爲基礎架構，只接受符合S4定義的R包。web
目錄編程
S4對象介紹數據結構
建立S4對象架構
訪問對象的屬性函數
S4的泛型函數工具
查看S4對象的函數this
S4對象的使用spa
1 S4對象介紹
S4對象系統是一種標準的R語言面向對象實現方式，S4對象有明確的類定義，參數定義，參數檢查，繼承關係，實例化等的面向對象系統的特徵。
2 建立S4對象
本文的系統環境
Linux: Ubuntu Server 12.04.2 LTS 64bit
R: 3.0.1 x86_64-pc-linux-gnu
爲了方便咱們檢查對象的類型，引入pryr包做爲輔助工具。關於pryr包的介紹，請參考文章:[撬動R內核的高級工具包pryr](http://blog.fens.me/r-pryr/)
# 加載pryr包 > library(pryr)
2.1 如何建立S4對象？
因爲S4對象是標準的面向對象實現方式， 有專門的類定義函數 setClass() 和類的實例化函數new() ，咱們看一下setClass()和new()是如何動做的。
2.1.1 setClass()
查看setClass的函數定義
setClass(Class, representation, prototype, contains=character(), validity, access, where, version, sealed, package, S3methods = FALSE, slots)
參數列表：
Class: 定義類名
slots: 定義屬性和屬性類型
prototype: 定義屬性的默認值
contains=character(): 定義父類，繼承關係
validity: 定義屬性的類型檢查
where: 定義存儲空間
sealed: 若是設置TRUE，則同名類不能被再次定義
package: 定義所屬的包
S3methods: R3.0.0之後不建議使用
representation R3.0.0之後不建議使用
access R3.0.0之後不建議使用
version R3.0.0之後不建議使用
2.2 建立一個S4對象實例
# 定義一個S4對象
> setClass("Person",slots=list(name="character",age="numeric"))
# 實例化一個Person對象
> father<-new("Person",name="F",age=44)
# 查看father對象，有兩個屬性name和age
> father
An object of class "Person"
Slot "name":
[1] "F"
Slot "age":
[1] 44
# 查看father對象類型，爲Person
> class(father)
[1] "Person"
attr(,"package")
[1] ".GlobalEnv"
# 查看father對象爲S4的對象
> otype(father)
[1] "S4"
2.3 建立一個有繼承關係的S4對象
# 建立一個S4對象Person
> setClass("Person",slots=list(name="character",age="numeric"))
# 建立Person的子類
> setClass("Son",slots=list(father="Person",mother="Person"),contains="Person")
# 實例化Person對象
> father<-new("Person",name="F",age=44)
> mother<-new("Person",name="M",age=39)
# 實例化一個Son對象
> son<-new("Son",name="S",age=16,father=father,mother=mother)
# 查看son對象的name屬性
> son@name
[1] "S"
# 查看son對象的age屬性
> son@age
[1] 16
# 查看son對象的father屬性
> son@father
An object of class "Person"
Slot "name":
[1] "F"
Slot "age":
[1] 44
# 查看son對象的mother屬性
> slot(son,"mother")
An object of class "Person"
Slot "name":
[1] "M"
Slot "age":
[1] 39
# 檢查son類型
> otype(son)
[1] "S4"
# 檢查son@name屬性類型
> otype(son@name)
[1] "primitive"
# 檢查son@mother屬性類型
> otype(son@mother)
[1] "S4"
# 用isS4()，檢查S4對象的類型
> isS4(son)
[1] TRUE
> isS4(son@name)
[1] FALSE
> isS4(son@mother)
[1] TRUE
2.4 S4對象的默認值
> setClass("Person",slots=list(name="character",age="numeric"))
# 屬性age爲空
> a<-new("Person",name="a")
> a
An object of class "Person"
Slot "name":
[1] "a"
Slot "age":
numeric(0)
# 設置屬性age的默認值20
> setClass("Person",slots=list(name="character",age="numeric"),prototype = list(age = 20))
# 屬性age爲空
> b<-new("Person",name="b")
# 屬性age的默認值是20
> b
An object of class "Person"
Slot "name":
[1] "b"
Slot "age":
[1] 20
2.5 S4對象的類型檢查
> setClass("Person",slots=list(name="character",age="numeric"))
# 傳入錯誤的age類型
> bad<-new("Person",name="bad",age="abc")
Error in validObject(.Object) :
invalid class 「Person」 object: invalid object for slot "age" in class "Person": got class "character", should be or extend class "numeric"
# 設置age的非負檢查
> setValidity("Person",function(object) {
+ if (object@age <= 0) stop("Age is negative.")
+ })
Class "Person" [in ".GlobalEnv"]
Slots:
Name: name age
Class: character numeric
# 修傳入小於0的年齡
> bad2<-new("Person",name="bad",age=-1)
Error in validityMethod(object) : Age is negative.
2.6 從一個已經實例化的對象中建立新對象
S4對象，還支持從一個已經實例化的對象中建立新對象，建立時能夠覆蓋舊對象的值
> setClass("Person",slots=list(name="character",age="numeric"))
# 建立一個對象實例n1
> n1<-new("Person",name="n1",age=19);n1
An object of class "Person"
Slot "name":
[1] "n1"
Slot "age":
[1] 19
# 從實例n1中，建立實例n2，並修改name的屬性值
> n2<-initialize(n1,name="n2");n2
An object of class "Person"
Slot "name":
[1] "n2"
Slot "age":
[1] 19
3 訪問對象的屬性
在S3對象中，通常我使用$來訪問一個對象的屬性，但在S4對象中，咱們只能使用@來訪問一個對象的屬性
> setClass("Person",slots=list(name="character",age="numeric"))
> a<-new("Person",name="a")
# 訪問S4對象的屬性
> a@name
[1] "a"
> slot(a, "name")
[1] "a"
# 錯誤的屬性訪問
> a$name
Error in a$name : $ operator not defined for this S4 class
> a[1]
Error in a[1] : object of type 'S4' is not subsettable
> a[[1]]
Error in a[[1]] : this S4 class is not subsettable
4 S4的泛型函數
S4的泛型函數實現有別於S3的實現，S4分離了方法的定義和實現，如在其餘語言中咱們常說的接口和實現分離。經過setGeneric()來定義接口，經過setMethod()來定義現實類。這樣可讓S4對象系統，更符合面向對象的特徵。
普通函數的定義和調用
> work<-function(x) cat(x, "is working")
> work('Conan')
Conan is working
讓我來看看如何用R分離接口和現實
# 定義Person對象
> setClass("Person",slots=list(name="character",age="numeric"))
# 定義泛型函數work，即接口
> setGeneric("work",function(object) standardGeneric("work"))
[1] "work"
# 定義work的現實，並指定參數類型爲Person對象
> setMethod("work", signature(object = "Person"), function(object) cat(object@name , "is working") )
[1] "work"
# 建立一個Person對象a
> a<-new("Person",name="Conan",age=16)
# 把對象a傳入work函數
> work(a)
Conan is working
經過S4對象系統，把原來的函數定義和調用2步，爲成了4步進行：
定義數據對象類型
定義接口函數
定義實現函數
把數據對象以參數傳入到接口函數，執行實現函數
經過S4對象系統，是一個結構化的，完整的面向對象實現。
5 查看S4對象的函數
當咱們使用S4對象進行面向對象封裝後，咱們還須要能查看到S4對象的定義和函數定義。
還以上節中Person和work的例子
# 檢查work的類型
> ftype(work)
[1] "s4" "generic"
# 直接查看work函數
> work
standardGeneric for "work" defined from package ".GlobalEnv"
function (object)
standardGeneric("work")
<environment: 0x2aa6b18>
Methods may be defined for arguments: object
Use showMethods("work") for currently available ones.
# 查看work函數的現實定義
> showMethods(work)
Function: work (package .GlobalEnv)
object="Person"
# 查看Person對象的work函數現實
> getMethod("work", "Person")
Method Definition:
function (object)
cat(object@name, "is working")
Signatures:
object
target "Person"
defined "Person"
> selectMethod("work", "Person")
Method Definition:
function (object)
cat(object@name, "is working")
Signatures:
object
target "Person"
defined "Person"
# 檢查Person對象有沒有work函數
> existsMethod("work", "Person")
[1] TRUE
> hasMethod("work", "Person")
[1] TRUE
6 S4對象的使用
咱們接下用S4對象作一個例子，定義一組圖形函數的庫。
6.1 任務一：定義圖形庫的數據結構和計算函數
假設最Shape爲圖形的基類，包括圓形(Circle)和橢圓形(Ellipse)，並計算出它們的面積(area)和周長(circum)。
定義圖形庫的數據結構
定義圓形的數據結構，並計算面積和周長
定義橢圓形的數據結構，並計算面積和周長
如圖所示結構：
定義基類Shape 和 圓形類Circle
# 定義基類Shape
> setClass("Shape",slots=list(name="character"))
# 定義圓形類Circle，繼承Shape，屬性radius默認值爲1
> setClass("Circle",contains="Shape",slots=list(radius="numeric"),prototype=list(radius = 1))
# 驗證radius屬性值要大等於0
> setValidity("Circle",function(object) {
+ if (object@radius <= 0) stop("Radius is negative.")
+ })
Class "Circle" [in ".GlobalEnv"]
Slots:
Name: radius name
Class: numeric character
Extends: "Shape"
# 建立兩個圓形實例
> c1<-new("Circle",name="c1")
> c2<-new("Circle",name="c2",radius=5)
定義計算面積的接口和現實
# 計算面積泛型函數接口
> setGeneric("area",function(obj,...) standardGeneric("area"))
[1] "area"
# 計算面積的函數現實
> setMethod("area","Circle",function(obj,...){
+ print("Area Circle Method")
+ pi*obj@radius^2
+ })
[1] "area"
# 分別計算c1和c2的兩個圓形的面積
> area(c1)
[1] "Area Circle Method"
[1] 3.141593
> area(c2)
[1] "Area Circle Method"
[1] 78.53982
定義計算周長的接口和現實
# 計算周長泛型函數接口
> setGeneric("circum",function(obj,...) standardGeneric("circum"))
[1] "circum"
# 計算周長的函數現實
> setMethod("circum","Circle",function(obj,...){
+ 2*pi*obj@radius
+ })
# 分別計算c1和c2的兩個圓形的面積
[1] "circum"
> circum(c1)
[1] 6.283185
> circum(c2)
[1] 31.41593
上面的代碼，咱們實現了圓形的定義，下來咱們實現橢圓形。
# 定義橢圓形的類，繼承Shape，radius參數默認值爲c(1,1)，分別表示橢圓形的長半徑和短半徑
> setClass("Ellipse",contains="Shape",slots=list(radius="numeric"),prototype=list(radius=c(1,1)))
# 驗證radius參數
> setValidity("Ellipse",function(object) {
+ if (length(object@radius) != 2 ) stop("It's not Ellipse.")
+ if (length(which(object@radius<=0))>0) stop("Radius is negative.")
+ })
Class "Ellipse" [in ".GlobalEnv"]
Slots:
Name: radius name
Class: numeric character
Extends: "Shape"
# 建立兩個橢圓形實例e1,e2
> e1<-new("Ellipse",name="e1")
> e2<-new("Ellipse",name="e2",radius=c(5,1))
# 計算橢圓形面積的函數現實
> setMethod("area", "Ellipse",function(obj,...){
+ print("Area Ellipse Method")
+ pi * prod(obj@radius)
+ })
[1] "area"
# 計算e1,e2兩個橢圓形的面積
> area(e1)
[1] "Area Ellipse Method"
[1] 3.141593
> area(e2)
[1] "Area Ellipse Method"
[1] 15.70796
# 計算橢圓形周長的函數現實
> setMethod("circum","Ellipse",function(obj,...){
+ cat("Ellipse Circum :\n")
+ 2*pi*sqrt((obj@radius[1]^2+obj@radius[2]^2)/2)
+ })
[1] "circum"
# 計算e1,e2兩個橢圓形的周長
> circum(e1)
Ellipse Circum :
[1] 6.283185
> circum(e2)
Ellipse Circum :
[1] 22.65435
6.2 任務二：重構圓形和橢圓形的設計
上一步，咱們已經完成了 圓形和橢圓形 的數據結構定義，以及計算面積和周長的方法現實。不知你們有沒有發現，圓形是橢圓形的一個特例呢？
當橢圓形的長半徑和短半徑相等時，即radius的兩個值相等，造成的圖形爲圓形。利用這個特色，咱們就能夠從新設計 圓形和橢圓形 的關係。橢圓形是圓形的父類，而圓形是橢圓形的子類。
如圖所示結構：
# 基類Shape
> setClass("Shape",slots=list(name="character",shape="character"))
# Ellipse繼承Shape
> setClass("Ellipse",contains="Shape",slots=list(radius="numeric"),prototype=list(radius=c(1,1),shape="Ellipse"))
# Circle繼承Ellipse
> setClass("Circle",contains="Ellipse",slots=list(radius="numeric"),prototype=list(radius = 1,shape="Circle"))
# 定義area接口
> setGeneric("area",function(obj,...) standardGeneric("area"))
[1] "area"
# 定義area的Ellipse實現
> setMethod("area","Ellipse",function(obj,...){
+ cat("Ellipse Area :\n")
+ pi * prod(obj@radius)
+ })
[1] "area"
# 定義area的Circle實現
> setMethod("area","Circle",function(obj,...){
+ cat("Circle Area :\n")
+ pi*obj@radius^2
+ })
[1] "area"
# 定義circum接口
> setGeneric("circum",function(obj,...) standardGeneric("circum"))
[1] "circum"
# 定義circum的Ellipse實現
> setMethod("circum","Ellipse",function(obj,...){
+ cat("Ellipse Circum :\n")
+ 2*pi*sqrt((obj@radius[1]^2+obj@radius[2]^2)/2)
+ })
[1] "circum"
# 定義circum的Circle實現
> setMethod("circum","Circle",function(obj,...){
+ cat("Circle Circum :\n")
+ 2*pi*obj@radius
+ })
[1] "circum"
# 建立實例
> e1<-new("Ellipse",name="e1",radius=c(2,5))
> c1<-new("Circle",name="c1",radius=2)
# 計算橢圓形的面積和周長
> area(e1)
Ellipse Area :
[1] 31.41593
> circum(e1)
Ellipse Circum :
[1] 23.92566
# 計算圓形的面積和周長
> area(c1)
Circle Area :
[1] 12.56637
> circum(c1)
Circle Circum :
[1] 12.56637
咱們重構後的結構，是否是會更合理呢！！
6.3 任務三：增長矩形的圖形處理
咱們的圖形庫，進一步擴充，須要加入矩形和正方形。
定義矩形的數據結構，並計算面積和周長
定義正方形的數據結構，並計算面積和周長
正方形是矩形的特例，定義矩形是正方形的父類，而正方形是矩形的子類。
如圖所示結構：
# 定義矩形Rectangle，繼承Shape
> setClass("Rectangle",contains="Shape",slots=list(edges="numeric"),prototype=list(edges=c(1,1),shape="Rectangle"))
# 定義正方形Square，繼承Rectangle
> setClass("Square",contains="Rectangle",slots=list(edges="numeric"),prototype=list(edges=1,shape="Square"))
# 定義area的Rectangle實現
> setMethod("area","Rectangle",function(obj,...){
+ cat("Rectangle Area :\n")
+ prod(obj@edges)
+ })
[1] "area"
# 定義area的Square實現
> setMethod("area","Square",function(obj,...){
+ cat("Square Area :\n")
+ obj@edges^2
+ })
[1] "area"
# 定義circum的Rectangle實現
> setMethod("circum","Rectangle",function(obj,...){
+ cat("Rectangle Circum :\n")
+ 2*sum(obj@edges)
+ })
[1] "circum"
# 定義circum的Square實現
> setMethod("circum","Square",function(obj,...){
+ cat("Square Circum :\n")
+ 4*obj@edges
+ })
[1] "circum"
# 建立實例
> r1<-new("Rectangle",name="r1",edges=c(2,5))
> s1<-new("Square",name="s1",edges=2)
# 計算矩形形的面積和周長
> area(r1)
Rectangle Area :
[1] 10
> area(s1)
Square Area :
[1] 4
# 計算正方形的面積和周長
> circum(r1)
Rectangle Circum :
[1] 14
> circum(s1)
Square Circum :
[1] 8
這樣，咱們的圖形庫，已經支持了4種圖形了！用面向對象的結構來設計，是否是結構化思路很清晰呢！！
6.4 任務四：在基類Shape中，增長shape屬性和getShape方法
接下來，要對圖形庫的全部圖形，定義圖形類型的變量shape，而後再提供一個getShape函數能夠檢查實例中的是shape變量。
這個需求，若是沒有面向對象的結構，那麼你須要在全部圖形定義的代碼中，都增長一個參數和一個判斷，若是有100圖形，改起來仍是挺複雜的。而面向對象的程序設計，就很是容易解決這個需求。咱們只須要在基類上改動代碼就能夠實現了。
如圖所示結構：
# 從新定義基類Shape，增長shape屬性
> setClass("Shape",slots=list(name="character",shape="character"))
# 定義getShape接口
> setGeneric("getShape",function(obj,...) standardGeneric("getShape"))
[1] "getShape"
# 定義getShape實現
> setMethod("getShape","Shape",function(obj,...){
+ cat(obj@shape,"\n")
+ })
[1] "getShape"
其實，這樣改動一個就能夠了，咱們只須要重實例化每一個圖形的對象就好了。
# 實例化一個Square對象，並給shape屬性賦值
> s1<-new("Square",name="s1",edges=2, shape="Square")
# 調用基類的getShape()函數
> getShape(r1)
Rectangle
是否是很容易的呢！在代碼只在基類裏修改了，全部的圖形就有了對應的屬性和方法。
若是咱們再多作一步，能夠修改每一個對象的定義，增長shape屬性的默認值。
setClass("Ellipse",contains="Shape",slots=list(radius="numeric"),prototype=list(radius=c(1,1),shape="Ellipse"))
setClass("Circle",contains="Ellipse",slots=list(radius="numeric"),prototype=list(radius = 1,shape="Circle"))
setClass("Rectangle",contains="Shape",slots=list(edges="numeric"),prototype=list(edges=c(1,1),shape="Rectangle"))
setClass("Square",contains="Rectangle",slots=list(edges="numeric"),prototype=list(edges=1,shape="Square"))
再實例化對象時，屬性shape會被自動賦值
# 實例化一個Square對象
> s1<-new("Square",name="s1",edges=2)
# 調用基類的getShape()函數
> getShape(r1)
Rectangle
下面是完整的R語言的代碼實現：
setClass("Shape",slots=list(name="character",shape="character"))
setClass("Ellipse",contains="Shape",slots=list(radius="numeric"),prototype=list(radius=c(1,1),shape="Ellipse"))
setClass("Circle",contains="Ellipse",slots=list(radius="numeric"),prototype=list(radius = 1,shape="Circle"))
setClass("Rectangle",contains="Shape",slots=list(edges="numeric"),prototype=list(edges=c(1,1),shape="Rectangle"))
setClass("Square",contains="Rectangle",slots=list(edges="numeric"),prototype=list(edges=1,shape="Square"))
setGeneric("getShape",function(obj,...) standardGeneric("getShape"))
setMethod("getShape","Shape",function(obj,...){
cat(obj@shape,"\n")
})
setGeneric("area",function(obj,...) standardGeneric("area"))
setMethod("area","Ellipse",function(obj,...){
cat("Ellipse Area :\n")
pi * prod(obj@radius)
})
setMethod("area","Circle",function(obj,...){
cat("Circle Area :\n")
pi*obj@radius^2
})
setMethod("area","Rectangle",function(obj,...){
cat("Rectangle Area :\n")
prod(obj@edges)
})
setMethod("area","Square",function(obj,...){
cat("Square Area :\n")
obj@edges^2
})
setGeneric("circum",function(obj,...) standardGeneric("circum"))
setMethod("circum","Ellipse",function(obj,...){
cat("Ellipse Circum :\n")
2*pi*sqrt((obj@radius[1]^2+obj@radius[2]^2)/2)
})
setMethod("circum","Circle",function(obj,...){
cat("Circle Circum :\n")
2*pi*obj@radius
})
setMethod("circum","Rectangle",function(obj,...){
cat("Rectangle Circum :\n")
2*sum(obj@edges)
})
setMethod("circum","Square",function(obj,...){
cat("Square Circum :\n")
4*obj@edges
})
e1<-new("Ellipse",name="e1",radius=c(2,5))
c1<-new("Circle",name="c1",radius=2)
r1<-new("Rectangle",name="r1",edges=c(2,5))
s1<-new("Square",name="s1",edges=2)
area(e1)
area(c1)
circum(e1)
circum(c1)
area(r1)
area(s1)
circum(r1)
circum(s1)
經過這個例子，咱們全面地瞭解了R語言中面向對象的使用，和S4對象系統的面向對象程序設計！
在程序員的世界裏，世間萬物均可以抽象成對象。
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