R语言基于R6的面向对象编程

R的极客理想系列文章，涵盖了R的思想，使用，工具，创新等的一系列要点，以我个人的学习和体验去诠释R的强大。

R语言作为统计学一门语言，一直在小众领域闪耀着光芒。直到大数据的爆发，R语言变成了一门炙手可热的数据分析的利器。随着越来越多的工程背景的人的加入，R语言的社区在迅速扩大成长。现在已不仅仅是统计领域，教育，银行，电商，互联网….都在使用R语言。

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。

关于作者：

• 张丹(Conan), 程序员Java,R,PHP,Javascript
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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,S4和RC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 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” > 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 u1$hello()
[1] "Hello Conan"
[1] "Conan is Male"
> u2 u2$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 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 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<

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 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 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。

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 r1$getPrice()
[1] 59
> j1 j1$getPrice()
[1] 108
> p1 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 r1$getPrice()
[1] "Price:59, Sell out:37.17"
# 59 * 0.9 *0.7= 37.17
>
> j1 j1$getPrice()
[1] "Price:108, Sell out:75.6"
# 108 *0.7= 75.6
>
> p1 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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