一些概念
这里首先要提及一些概念，然后我们再看具体的实例加以理解。
每一个单独的对象都可以被称为对应类的一个实例（instance）。操作指定类的函数称为方法（method）。
把程序接口从具体的实现细节中分离开来的过程称为封装。
在OOP（面向对象编程）中，我们可以通过一个类创建出另外一个类，只需要指定新类的不同信息即可，这种方法称为继承。由此衍生出，被继承的类称为父类或超类（superclass），新创建的类称为子类（subclass）。
在OOP中，允许同一个方法名操纵不同对象并得到不同的结果，称为多态（polymorphism）。
通过一系列的其他类来创建新类的过程称为组合（composition）。在一些语言中，一个类可以从多个类中继承方法，称为多重继承（multiple inheritance）。
实例
大部分其他语言（比如java）的OOP概念都已经包含在R中，但R中具体的语法和结构却有所不同。我们需要通过调用函数setClass来定义一个类，并且需要调用setMethod函数来定义方法。
我们先看一个简单的例子：
我们要实现一个类用来表示时间序列，想定义一个对象包含如下信息：
- 一个数据集合，取自固定周期的时间段
- 一个开始时间
- 一个结束时间
- 时间序列的周期
对于可以通过某些属性计算出来的属性信息是多余的。我们从定义一个名为“TimeSeries”的新类开始。
我们将通过一个包含数据、开始时间、结束时间的数值型向量来描述一个时间序列。然后可以通过它们来计算出时间单位、频率和周期。
作为类的使用者，如何展现这些信息并不重要。但是对于类的实现者来说，则非常重要。
R语言中对象存储信息的位置称为槽（slot）。我们将该对象需要包含的槽命名为data、start、end。使用setClass函数来创建新类：
1 | > setClass("TimeSeries", |
representation部分说明了每个槽所包含的R对象的类型。我们使用new函数（针对S4对象的一个泛型构造方法）来新建一个TimeSeries对象。第一个参数名指定类名，其他参数指定槽的值：
1 | > my.TimeSeries <- new("TimeSeries", |
对于一个槽来说，并不是所有的可能值都是有效的。比如，我们想要确保end发生在start之后，并且两者的长度是1。我们需要编写函数来验证该对象的有效性。R允许自定义函数用来验证特定的类。我们可以通过setValidity函数来设定。
1 | > setValidity("TimeSeries", |
现在我们可以检查对象在validObject函数下是否有效。
1 | > validObject(my.TimeSeries) |
之后我们新建TimeSeries对象时，R将会自动检查新对象的有效性，并通过抛出错误来拒绝错误的对象。
（也可以在创建类的时候设定验证有效性的方法，详见setClass的完整定义）
定义了类之后，我们来创建新的方法。时间序列有一个属性是周期。我们可以创建一个方法用来提取时间序列中的周期信息。
1 | > period.TimeSeries <- function(object) { |
假如我们想创建一组函数用来从不同的对象中提取数据序列，而不用考虑对象的类型（即多态）。R提供了一种叫作泛型函数的机制可以实现。当我们对某个对象调用泛型函数时，R会基于该对象的类找到正确的方法去执行。我们创建一个函数来从泛型对象中提取数据序列：
1 | > series <- function(object) { object@data } |
调用setGeneric可以将series重定义为泛型函数，其默认的方法是旧的series函数的函数体：
1 | > series |
更进一步地，我们创建一个泛型函数来从对象中提取周期信息，并且特别指定它用来处理我们之前的创建的类。
1 | > period <- function(object) { object@period } |
调用泛型函数period可以计算TimeSeries对象：
1 | > period(my.TimeSeries) |
也可以对已存在的泛型函数定义自己的方法，比如为我们创建的类定义一个summary方法：
1 | > setMethod("summary", |
甚至可以为一个已经存在的操作符定义新的方法：
1 | > setMethod("[", |
下面演示如何基于TimeSeries类实现一个WeightHistory类以记录个人的历史体重信息。
1 | > setClass("TimeSeries", |
创建子类：
1 | > setClass( |
添加实例对象：
1 | > john.doe <- new("WeightHistory", |
我们还可以通过另外一种方式构建一个体重记录。假设我们已经创建好了一个包含人名和体重的Person类。
1 | > setClass("Person", |
我们可以创建一个基于TimeSeries类和Person类的体重记录类。
1 | > setClass( |
可以发现，如果我们已经有了先期的开发经验或者相关类的代码，对新任务进行重构是非常方便的。短短几行代码就搞定了，充分利用了代码的可重复性。这也是OOP在高级语言中如此普遍的一个原因吧。
S4类
我们接下来更深入地探讨构造类的函数。
类的定义
R中使用setClass函数来创建一个新类，格式如下：
1 | setClass(Class, representation, prototype, contains=character(), validity, access, where, version, sealed, package, S3methods=FALSE) |
描述
- Class - 字符串，用来指定新类的名字（这是唯一必需的参数）
- representation - 列表，列表的每一个元素代表不同的槽的类型，元素名为槽名（可以用”ANY”来指定类型为任意）
- prototype - 包含各个槽的默认值的对象
- contains - 字符向量，包含该类继承的父类名
- validity - 验证该类的对象有效性的函数（默认没有检查），可以后续使用
setValidity函数来设置 - access - 无作用，为了和S-PLUS兼容
- where - 存储该对象定义的环境
- version - 无作用，为了和S-PLUS兼容
- sealed - 逻辑值，表示该类是否还能被setClass按照原来的类名重新定义
- package - 字符串，指定该类所在的R包名
- S3methods - 逻辑值，表示是否使用了S3类写这个类
为了简化类的创建，methods包提供了representation以及protype函数。它们在将其他类继承为数据部分、拥有多个父类、或者组合继承类和槽的时候非常有用。
值得注意的是，有些名字是属性的保留字因而不能作为槽名使用，包括”class”,”comment”,”dim”,”dimnames”,”names”,”rownames”和”tsp”。
可以使用setIs函数来显式地定义继承关系。
1 | setIs(class1, class2, test=NULL, coerce=NULL, replace=NULL, |
可以使用setValidity函数来显式地设置类的验证函数：
1 | setValidity(Class, method, where=topenv(parent.frame())) |
R可以定义一个虚类作为多个其他类的父类。如果一个虚类本身不包含任何数据，但是如果你想要创建一批函数用于一批类中，这种方式非常有用。可以通过setClassUnion函数实现：
1 | setClassUnion(name, members, where) |
- name - 新的父类的名字
- members - 字符向量，指定所有子类的名字
- where - 新类所在的环境
对象的新建
我们可以通过调用类的new方法新建一个对象。专业术语中称为构造函数。
1 | new(c, ...) |
在调用new的时候，我们可以通过指定参数将数据填充到槽中。如果c中存在名为initialize的方法，那么当新的对象被创建后，会立刻调用initialize函数进行初始化。
槽的存取
我们可以使用slot函数或者简化符号@来访问存储对象某个槽中的值，当然也可以用它来赋值。
1 | > john.doe@name |
对象的操作
使用is(o, c)函数测试对象o是否是类c的成员。使用函数extend(c1, c2)测试类c1是否继承于类c2。
如果要得到对象o包含的所有槽的名称，使用slotNames(o)，如果要得到槽的类型，使用getSlots(o)。这两个函数也可以对类使用。
1 | > getSlots("WeightHistory") |
注意一些差别，有引号和没引号结果是不同的。
方法
泛型函数允许使用同一个函数名来代表很多不同的函数，针对不同的类，调用不同的参数。
设定方法的第一步是创建一个合适的泛型函数，如果该函数还不存在，可以使用setGeneric函数来创建这个泛型方法：
1 | setGeneric(name, def=, group=list(), valueClass=character(), |
要把一个方法关联到某个类（具体而言就是指定泛型函数的signature参数），可以使用setMethod函数：
1 | setMethod(f, signature=character(), definition, |
方法的管理
methods包包含了很多管理泛型方法的函数。
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| isGeneric | 检查指定的泛型函数是否存在 |
| isGroup | 检查指定的分组泛型函数是否存在 |
| removeGeneric | 删除某个泛型函数关联的所有方法以及该泛型函数本身 |
| dumpMethod | 转存储某个方法到文件 |
| findFunction | 根据函数名查找函数对象，返回搜寻列表中的位置或当前顶层环境 |
| dumpMethods | 转存储一个泛型函数关联的所有方法 |
| signature | 返回在某个指定路径下定义了方法的泛型函数的名称 |
| removeMethods | 删除某个泛型函数关联的所有方法 |
| setGeneric | 根据指定的函数名创建新的泛型函数 |
methods包同样包含了很多管理方法的函数。
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| getMethod, selectMethod | 返回某个特定泛型函数和类型标记的方法 |
| existsMethod, hasMethod | 检查某个方法（指定了泛型函数名和类型标记）是否存在 |
| findMethod | 返回包含了某个方法的包 |
| showMethods | 显示关联了某个S4泛型的所有方法 |
更多的帮助通过library(help="methods")命令获取。
守旧派OOP: S3
如果我们想要用R实现复杂的工程，应该使用S4的类和对象。不幸的是，我们在R中是很难避免S3对象的。比如统计包中的大部分建模工具都是用S3对象实现的。为了能够对这些软件包进行更好地理解、修改和扩展。我们必须了解S3类是如何实现的。
S3的类
S3对象只是原始的R对象加上一些额外的属性（包括一个类名）而已。它没有正式的定义，我们可以手工修改属性甚至类。
之前我们使用了时间序列作为S4的例子，其实在R中已经存在了表示它的S3类，称为ts对象。我们这里创建简单的时间序列对象，查看它的属性以及一些底层对象。
1 | > my.ts <- ts(data=c(1,2,3,4,5), start=c(2009,2), frequency=12) |
可以发现ts对象只不过是一个数值向量加上class和tsp这两个属性。class属性起始只是ts对象的类名。我们无法像S4对象中操作槽来提取S3对象的属性。
1 | > my.ts@tsp |
S3方法
S3的泛型函数是通过命名约定来实现的。以下是步骤：
- 为泛型函数挑选一个名字，这里我们命名为
gname。 - 新建一个名为
gname的函数，在gname的函数体中，调用UseMethod("gname") - 为每一个想要使用
gname的类创建一个名为gname.classname的函数，该函数的第一个参数必须是该对象的类名classname。
一个现成的例子是plot函数：
1 | > plot |
在调用plot的时候，plot将会调用UseMethod("plot")。UseMethod会查看x对象的类，然后查找名为plot.class的函数，然后调用该函数。
比如给我们之前定义的TimeSeries类添加一个plot方法。
1 | > plot.TimeSeries <- function(object, ...) { |
在S4的类中使用S3的类
我们不能直接指定S3的类到S4的槽。如果想要做到，我们需要基于S3的类创建一个S4的类。一个简单的方式是使用setOldClass函数：
1 | setOldClass(Classes, prototype, where, test=FALSE, S4Class) |
查找隐藏的S3方法
有时候我们会发现一些包的作者会选择隐藏单个方法，而把方法的实现封装在包中。这样可以鼓励用户去使用泛型函数。
1 | > library(lattice) |
有时候我们可能需要找回这些隐藏的方法（想要查看源代码），这时候可以使用getS3method函数。例如，想要取到histgram.formula中的代码，可以使用以下命令：
1 | > getS3method(f="histogram", class="formula") |
或者使用getAnywhere函数：
1 | > getAnywhere(histogram.formula) |
学习整理自《R核心技术手册》