深入了解R语言-S4

R语言中的S4相比S3的具有层次结构，它有着明确的类定义、参数定义以及参数检查、继承关系、接口函数等，其编程特点都是基于泛型函数的面向对象编程。趁着假期整理一下近期对S4的学习整理。

什么时候使用S4

当自己想写一条具有泛化性的泛型函数。例如，我想建立一个简单的数值对战模拟：两个人物用普通攻击互砍，看HP先降为0。
那么我们希望有一个泛型CommonAttack函数表达他们各自的普通攻击计算方式。即人物A调用该函数时采用计算方式a,人物B调用该函数时采用计算方式b。
该类编程需求用S4进行编程特别容易进行表达。下面以该问题为基础，对知识点进行回顾。

定义对象人物

两个人物进行普通攻击互砍，首先我们对人物进行定义。第一新建父类Hero，第二对Hero属性的进行检查设定。

###################### 定义父类, 英雄的基础属性 
# 1.通过setClass新建类别
# 2.通过slots设置类别包含属性
# 3.通过prototype设置默认值
setClass("Hero", slots = list(HP  = "numeric", MP  = "numeric", 
                              HRR = "numeric", MRR = "numeric", 
                              AD  = "numeric", AP  = "numeric",
                              ATKspeed = "numeric",
                              Armor = "numeric", MR = "numeric",
                              skillCD = 0, 
                              SkillCoolTime = 0), 
         prototype =list(HP  = 0, MP  = 0,           # 生命值\魔法值
                         HRR = 0, MRR = 0,           # 生命恢复\魔法恢复
                         AD  = 0, AP  = 0,           # 攻击力\法术强度
                         ATKspeed = 0,               # 攻击速度
                         Armor = 0, MR = 0,          # 护甲\魔抗
                         SkillCD = 0,                # 技能CD
                         SkillCoolTime = 0))         # 技能当前冷却时间

## 对变量检验进行设置,例如魔法值不能低于0
setValidity("Hero", function(object){
   if(object@MP < 0){
       stop("MP 不能低于0")
   }
}) 

定义接口函数、默认伤害计算公式

S4的最大特点个人感觉就在于此，接口和函数是分开的，先通过setGeneric设定函数接口，再通过setMethod设定泛化函数。

# 1.定义接口：普通攻击
setGeneric("CommonAttack", function(obj1, obj2, ...){   # 普通攻击
  standardGeneric("CommonAttack")
})

# 2.定义默认函数（即面对父类Hero的计算方式）
# 2.1 当泛型函数针对父类和子类，当子类没有定义时，便会调用父类的计算方式。
setMethod("CommonAttack", "Hero", function(obj1, obj2, cat = T){       
  hurt <- obj1@AD - obj2@Armor  # A对B造成的伤害 = A的攻击力-B的护甲
  if(cat){
    cat(paste(obj1@name , "Use CommonAttack", obj2@name, "HP: -", hurt), "\n")
  }
  obj2@HP <- obj2@HP - hurt
  return(obj2)
})

定义子类人物A\B,和普通攻击计算方式

申明子类A\B, 通过new函数生成实类，再通过调用CommonAttack对定义自己的普通攻击计算方式。

### 申明人物A，继承父类Hero
setClass("A", contains = "Hero", slots = list(name = "character")) # 测试样本1 
# 实例化A：基础属性
A <- new("A", name = "a", 
             HP  = 550, MP  = 340, 
             HRR = 1.8, MRR = 12, 
             AD  = 55 , AP  = 25,
             ATKspeed = 0.63,,
             Armor = 25, MR = 30,
             SPEED = 400，
             SkillCD = 1/0.63, # 普通攻击频率和攻速相关
             SkillCoolTime = 0)
# 定义A的普通攻击计算方式：
setMethod("CommonAttack", "A", function(obj1, obj2, cat=T){   # A特殊伤害公式
  hurt <- obj1@AD*0.5  + obj1@AP*0.5 - obj2@Armor*0.8 #随便乱写
  if(cat){  # 是否再调用时输出文字描述
    cat(paste(obj1@name , "Use CommonAttack : ", obj2@name, "HP: -", hurt), "\n")
  }
  obj2@HP <- obj2@HP - hurt
  return(obj2)
})

### 申明人物B，继承父类Hero
setClass("B", contains = "Hero", slots = list(name = "character")) # 测试样本2 
B <- new("B", name = "b", 
              HP  = 550, MP  = 0, 
              HRR = 1.8, MRR = 12, 
              AD  = 58 , AP  = 0,
              ATKspeed =  0.70,,
              Armor = 25, MR = 20,
              SPEED = 400，
              SkillCD = 1/0.70,    # 普通攻击频率和攻速相关
              SkillCoolTime = 0)
# B采用默认的攻击方式，故不进行设定

人物普通攻击互砍

已经知道人物A\B的基础信息，以及普工的伤害公式，那么再写一个外部流程便可以实现人物的互砍。

t <- 0        # 时间初始计数
tStep <- 0.1  # 时间计数间隔

# 平
while(A@HP > 0 & B@HP > 0){
  if(A@SkillCoolTime == 0){ # 当A普通攻击cd为0，A攻击B
     B <- CommonAttack(A, B) 
     A@SkillCoolTime <- A@SkillCD 
  }
  if(B@SkillCoolTime == 0){ # 当B普通攻击cd为0，B攻击A
     A <- CommonAttack(B, A)
     B@SkillCoolTime <- B@SkillCD  
  }
  # CD更新
  A <- UpDateCd(A, tStep)
  B <- UpDateCd(B, tStep)
  t <- t + tStep  # 时间流逝
}

总结

• S4和S3一样是R语言中基于泛型函数的面向函数编程方式。其他的R语言中还有RC、R6的面向对象的编程方法。
• pryr 包有助于在R语言中进行面向对象编程。
• 上述的例子里，还有很多扩展的地方，例如给人物添加其他的技能接口（类似CommonAttack泛化函数），对战流程中添加其他更多考虑元素。