1.6　编程范式与面向对象概念

面向对象编程（object-oriented programming）是一种结构化程序的方式，使得个别对象的性质（属性）与行为（方法），得以封装成一个抽象的类别（class），以供反复利用。所谓相近对象（object）归为类，相近的意思正是同类对象有共同的性质与行为。举例来说，类别如果是人，名字、年龄与地址等就是应具有的属性，走路、说话、呼吸与跑步等就是人的行为或方法；电子邮件类别具有收件人列表、主题、内容主体等属性，而添加附件与发送等即为方法。对象是将抽象类中属性与方法具体实现后的结果，例如，张三与李四都是依照前述人的类别实例化（instantiate，有具体赋形之意）出来的实体对象，你打算通过电子邮件发送邀请函给张三与李四，则此封电子邮件对象的收件人列表包括张三与李四两人，且必有主题与内容主体等属性，并可在其中添加邀请函并发送出去。

从上面的说明可发现面向对象概念是对真实世界各种具体事物，及其之间的关系建模的一种方式，例如公司与员工、学生与老师等之间的关系。就数据驱动程序设计与大数据分析而言，面向对象概念将人类对真实世界的知识，视为软件中的对象，其下有属性数据，并可进行某些函数的运算。例如，如果时间序列（time series）为一类别，则开始时间、结束时间、采样频率等为该类别的属性，时间序列分解是该类别的方法；个人体重的历史记录则为时间序列类别实操出来的时间序列对象；数据科学工作者通常不太在乎时间序列对象的实际存储方式，关心的是这类数据对象的创建方法、所具有的属性与各种处理的方法。

泛函式编程（functional programming）是另一种重要的编程范式，它将计算机运算视为数学上的函数计算，也就是应用数学函数的输入（input）、处理（processing）与输出（output）的概念编写程序。泛函式编程支持且鼓励无副作用（side effects）的程序设计，因为副作用让程序变得复杂且容易产生错误。具体来说，泛函式编程倡导利用简单的执行区块，让程序计算结果不断渐进，逐层推导最终所需要的运算结果，而不是设计一个复杂的执行过程。

程序式编程（procedural programming）是历史悠久的编程范式，如同食谱一样，它提供完成一项任务的循序步骤，步骤内容的形式可能是处理函数或/及代码区块。代码区块依据任务所需，可以反复多次地执行某些指令语句的循环（loop），或者当某些条件满足时，才执行后续指令语句的流程控制（flow control），详见1.7节控制流程与自定义函数。

当代许多程序语言以混合范式（mixed paradigms）的方式进行编程，两种常用的数据分析脚本语言R与Python都结合了传统程序式编程、面向对象编程与泛函式编程等编程范式语法，以期有效完成数据处理与分析的任务。以Python为例，泛函式编程的写法是载入numpy套件并简记为np后，引用numpy套件中的std()函数，将类别为列表（list）的数据对象（data object）[1,2,3]传入函数中进行其标准偏差的计算。

另一种面向对象编程的方法是先创建numpy的数组（array）类对象a后，引用对象a下的方法（method）std()，以计算对象a本身的标准偏差。

Python语言向量化（vectorization）做法与1.5节所述相同，是将一运算施加在复杂对象一次，而非将其元素取出进行迭代式运用。例如，欲对前述ndarray的对象a中三个元素进行方根运算，仅须将其传入numpy的向量化函数sqrt()中，即可对各元素一一计算其方根值。

而Python隐式循环（implicit looping）要先将对象a从ndarray对象转为pandas套件Series序列类型，再引用序列类型的apply()方法，传入关键词为lambda的匿名函数（anonymous function），逐一取出a中元素（代号为x）进行加4处理，完成循环的重复性工作。

值得注意的是，面向对象编程使得程序代码更清楚易读，且提升程序代码的可复用性（reusability）。Python的面向对象较接近一般人熟知的面向对象语言，如C++与Java（参见1.6.2节Python语言面向对象），而R语言的面向对象虽然比较不正规，但表面上仍然实现了面向对象的诸多概念（Matloff,2011）。

简而言之，R与Python语言中面向对象的概念有：

·　两种语言中所见都是对象，从数字到字符串到矩阵到函数都是对象，因此程序员应常常关注环境中对象的类别。

·　面向对象提倡将个别但相关的数据项封装（encapsulation）成单一的类别实例，以追踪相关的变量，并强化程序代码的清晰度。

·　继承（inheritance）的概念可将某一类别延伸为更专门的类别，例如，猫头鹰继承鸟类的属性与方法，成为更特别的鸟类。

·　函数是多态的（polymorphic），即表面上看似相同的函数调用，其实会因传入对象的不同类别，进行不同的运算。例如R语言summary()、plot()、print()、predict()等泛型函数（generic functions），依据传入对象的类别，调用适合的具体方法对对象进行相应的计算与绘图，促进了程序代码的可复用性，可视为模块化设计的一种方式。Python也可以在自定义函数中根据传入的不同类别对象，进行相应的处理，这种一个函数有多重版本的概念也称为多重方法（multimethods） 。