ggplot2的组图拓展包（1）：patchwork（上篇）

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patchwork是ggplot绘图系统的拓展包，主要功能是将多个ggplot格式的图形组合成一幅大图，即组图。

patchwork工具包十分好用，它主要利用几个类似四则运算符号的操作符进行组图，只要掌握每个操作符的功能特点及少量函数的用法，就可以很灵活地进行组图。

本篇目录如下：

• 0 示例图形

• 1 竖杠`|`和斜杠`/`

  • 1.1 单独运算

  • 1.2 混合运算

• 2 加号`+`

  • 2.1 单独运算

  • 2.2 plot_layout函数（上）

  • 3.3 混合运算

• 3 减号`-`

  • 3.1 单独运算

  • 3.2 混合运算

0 示例图形

首先，参考官方文档^[1]，生成如下4个ggplot对象：

library(ggplot2)
p1 <- ggplot(mtcars) + geom_point(aes(mpg, disp*100)) + ggtitle('Plot 1')p2 <- ggplot(mtcars) + geom_point(aes(mpg, wt)) + ggtitle('Plot 2')p3 <- ggplot(mtcars) + geom_point(aes(hp, wt, colour = mpg)) + ggtitle('Plot 3')p4 <- ggplot(mtcars) + geom_bar(aes(gear)) + facet_wrap(~cyl) + ggtitle('Plot 4')

1 竖杠|和斜杠/

patchwork工具包最基础的操作符应当是加号+，这也是继承ggplot2工具包的符号，不过竖杠|和斜杠/的功能相对单纯，因此首先加以介绍。

在R语言的基础语法中，竖杠|表示逻辑“或”，斜杠/ 表示“除法”，但在这里它们被赋予了另外的功能：竖杠|表示横向组图，斜杠/表示纵向组图。

1.1 单独运算

分别使用|和/进行组图：

library(patchwork)
p1 | p2 | p3

p1 / p2 / p3

通过观察组图结果，可以发现一个特点：这两个操作符会为每个图形的plot region平均分配空间。

在推文graphics | 基础绘图系统（二）—— 绘图参数及par函数中，学堂君介绍了基础绘图系统的图形共存在4个区域，这里再展示一下：

但在默认情况下，device region、display region的边界会与figure region重叠，也就是外侧三个区域实际上是重合的，因此图形区域主要存在plot region和figure region的区别。

明白几个区域的概念，现在再来分析组图结果：

• p1的纵坐标刻度标签较其他图更长，但它的plot region仍和其他两幅图仍然一致；因为纵坐标刻度标签位于figure region内而不位于plot region，因此它的figure region较p2更宽；

• 同样，p3在figure region中包含一个图例，这也使得它的figure region较p2更宽。

综上，可以得出结论：|和/操作符会平均分配各子图的plot region，而figure region内的要素则会额外分配空间。

此外，这两个操作符在组图时还严格贯彻“对齐”的审美观，尤以/更加明显，可以看到：

• 在横向组图中，子图的plot region上、下边框是对齐的；在纵向组图中，尽管纵坐标刻度标签不一致以及部分子图存在图例，子图的plot region左、右边框也是对齐的；

• 在纵向组图中，尽管纵坐标刻度标签的宽度不一致，但纵坐标变量名标签也严格对齐，刻度标签较窄的子图在与变量名标签之间还留出一部分空间。

那么如果参与组图的子图本身就包含子图，它们会如何分配空间呢？看如下例子：

p1 | p2 | p4

p1 / p2 / p4

从组图结果可以看出，子图的子图是作为一个整体来参与平均分配plot region的。这就涉及到嵌套水平（nesting level）的概念了。以上例来说，p1、p2是与p4处于同一嵌套水平，而不是与它的子图处于同一嵌套水平。

1.2 混合运算

|和/可以混合使用以实现更复杂的组图，那么它们运算的优先级是怎样的呢？

先看如下三个例子：

p1 | p2 / p3

p1 / p2 | p3

p1 / p2 | p3 / p4

从组图结果可以明显看出，/的优先级高于|。

此外，从嵌套水平的角度看，当只使用上述操作符的其中一个时，所有参与组图的子图都位于同一个嵌套水平；而当混合使用这两个操作符时，优先级高的操作符会先产生一个嵌套水平，其结果整体再与其他操作符产生一个更高的嵌套水平。

2 加号+

2.1 单独运算

从排列方向上看，加号+的功能不是那么纯粹。在默认情况下，它会根据参与组图的图形数量决定布局：

p1 + p2

p1 + p2 + p3

p1 + p2 + p3 + p4

2.2 plot_layout函数（上）

plot_layout()函数可以对组图的布局做进一步的调整。

调整行、列数：

p1 + p2 + p3 +plot_layout(ncol = 2) p1 + p2 + p3 +plot_layout(nrow = 2)

调整排列方向的优先顺序：

p1 + p2 + p3 +plot_layout(ncol = 2, byrow = F)

调整各列子图的plot region的宽度比例：

p1 + p2 + p3 +plot_layout(ncol = 2, widths = c(1.5,1))

调整各行子图的plot region的高度比例：

p1 + p2 + p3 +plot_layout(ncol = 2, heights = c(1, 1.5))

plot_layout()函数的其他功能会在后文进一步介绍。

3.3 混合运算

加号+与竖杠|和斜杠/混合运算时，优先级是怎样的呢？

先看+与|的优先级比较：

p1 + p2 | p3

p1 | p2 + p3

显然，+的优先级高于|。

再看+与/的优先级比较：

p1 + p2 / p3

显然，+的优先级低于/。

综上，三个操作符的优先级顺序为/ > + > |。

3 减号-

3.1 单独运算

按照工具包作者的说法，与其将-看作是减号，还不如看作是连字符。从排列方向上看，它也是横向进行组图的，但与|和+存在区别。

区别主要体现在嵌套水平的产生上。其实不管是|、/，还是+，单独使用它们中的一个，都会将所有子图置于同一嵌套水平，而-每使用一次都会产生一个嵌套水平。

看如下两个例子：

p1 - p2

p1 - p2 - p3

可以看出，在连续使用两次-时，首先会将p1和p2在同一嵌套水平上横向组图，然后再将组图结果作为整体与p3在同一嵌套水平上进行横向组图。当连续使用-时，从左往右各子图的宽度比就会是：

3.2 混合运算

在混合运算时，-的优先级和+是一致的。从左往右，谁先出现就先使用谁。

p1 + p2 - p3

• 先计算p1 + p2，再作为整体与p3横向组合。

p1 - p2 + p3

• 这里显示+的功能很特殊。尽管先计算了p1 - p2，但p3仍然与它们处于同一嵌套水平。

-的优先级低于/：

p1 - p2 / p3

-的优先级高于|：

p1 | p2 - p3

p1 - p2 | p3

• 注意与p1 - p2 + p3的结果作比较。

综上，三个操作符的优先级顺序为/ > + = - > |。

未完待续。

参考资料

[1]

patchwork: Getting Started: https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/CRAN/web/packages/patchwork/vignettes/patchwork.html