首先介绍 R 语言绘图的基本方法，随后讲解如何定制图表的各个元素（标题、轴、标签、刻度线、辅助线、图例等），最后关注如何定制一组图和混合图。

本章包含了几乎所有 R 绘图所需的一般知识，但不包含对 ggplot2 （一个专业于绘图的 R 包）绘图的介绍。

使用的 R 版本是 3.5.2

1 案例：评估药效

研究病人对两种药物 A and B 的不同剂量的反应，首先生成数据：

# 药物剂量
dose <- c(20, 30, 40, 50, 60)
drugA <- c(16, 20, 27, 40, 60)
drugB <- c(15, 18, 25, 31, 40)
dose_table <- data.frame(dose, drugA, drugB)

dose	drugA	drugB
20	16	15
30	20	18
40	27	25
50	40	31
60	60	40

2 基本方法

2.1 生成图表

绘制散点图并连线：

使用 plot() 方法
第一个参数是 x，第二个参数是 y。参数 type="b" 意思是同时绘制点和线。

plot(dose, drugA, type="b")

Use command help(plot) to learn more about plot()。

2.2 保存图表

可以将图表保存为 PNG, JPEG, PDF, PSF 等格式。

png(filename = "my_plot.png")
jpeg(filename = "my_plot.jpg")
pdf(file="my_plot.pdf")
postscript(file = "my_plot.ps")

3 配置图表

3.1 方法一: 使用 `par()` 函数

使用 par() 查看和配置图表参数。

用参数 no.readonly = TRUE 查看可编辑的图标参数
用变量 opar: Original params 来备份初始配置

opar <- par(no.readonly = TRUE)
opar[1:2]

## $xlog
## [1] FALSE
## 
## $ylog
## [1] FALSE

# lty: change line type to dashed (=2), pch: change symbol to solid triangle (=17)
par(lty=2, pch=17)
plot(dose, drugA, type="b")

# 恢复初始配置
par(opar)

3.2 方法二: 直接传参给绘图函数

plot(dose, drugA, type = "b", lty=2, pch=17)

3.3 配置点和线

Parameter	Description
pch	点的样式
cex	点的大小倍数
lty	线的样式
lwd	线的宽度倍数

3.4 配置颜色

3.4.1 与颜色有关的参数

col 用于线图或饼图，可以传入向量，R 将循环使用其中的颜色
col.axis 轴文本
col.lab 轴标签
col.main 主标题
col.sub 副标题
fg 前景色
bg 背景色

支持各种颜色格式：col=1, col="white", col="#FFFFFF", col=rgb(1,1,1) or col=hsv(0,0,1) is OK.

3.4.2 运用 R 语言生成颜色

colors() 返回所有可用颜色名
rainbow(), heat.colors(), terrain.colors, topo.colors() and cm.colors() 可以生成系列色
RColorBrewer 包可以生成颜色

3.4.2.1 例 1: `raindow()` 函数

n <- 10
mycolors <- rainbow(10)
pie(rep(1, n), labels = mycolors, col = mycolors)

3.4.2.2 例 2: `gray()` 函数

n <- 10
mygrays <- gray(0:n/n)
pie(rep(1, n), labels = mygrays, col = mygrays)

3.4.2.3 例 3: RColorBrewer 包

library(RColorBrewer)
display.brewer.all()

n <- 7
mycolors <- brewer.pal(n, "RdYlGn")
barplot(rep(1,n), col=mycolors)

3.5 配置图中的文字

图表中的文字样式也可以进行类似配置。

3.5.1 字号

在 par() 中传入以下参数和值，或直接传入绘图方法中。

cex 基础文字大小倍数
cex.axis 轴文字字号倍数，相对 cex，下同
cex.lab 轴标签字号倍数
cex.main 主标题字号倍数
cex.sub 副标题字号倍数

3.5.2 粗细

font 基础文字粗细，=1 正常，=2 加粗，=3 意大利斜体，=4 粗斜体，=5点阵字体 (Adobe)
font.axis 轴文字
font.lab 轴标签
font.main 主标题
font.sub 副标题
ps Font point size

3.5.3 字体

family 字体

Windows 中字体名和具体名称之间有一个 map 的对应关系。

使用已知对应字体，可以直接将 family 值设置为字体名:

par(family="serif")

使用新字体，需要用 windowsFont() 方法构建 map 关系：

windowsFonts(
  A=windowsFont("Arial Black"),
  B=windowsFont("Bookman Old Style"),
  C=windowsFont("Comic Sans MS")
)
# 将图表字体设置为 Arial Black
par(family = "A")

可以使用 names() 方法查看可用字体。

# PDF 字体
names(pdfFonts())
# 生成 pdf
pdf(file="myplot.pdf", family = "fontname")
# PostScript Format 字体
names(postscriptFonts())
# 生成 PSF
postscript(file = "myplot.ps", family = "fontname")

3.6 配置长、高与边距

pin 传入向量，分别为宽和高
mai margin，图表的外边距，单位是 inches，顺序是 c(bottom, left, top, right)
mar margin，图表的外边距，单位是行，顺序同上

# 4 inch 宽，3 inch 高，上下边距为 1 inch，0.2 inch 右边距，0.5 inch 左边距
par(pin = c(4,3), mai = c(1, .5, 1, .2))

3.7 综合例子 1：分别展示两种药的药效

配置：

宽 =2 和高 =3
线粗2倍，点变大1.5倍
轴文字 0.75 倍，斜体
点线样式在绘图函数中直接配置

dose <- c(20, 30, 40, 45, 60)
drugA <- c(16, 20, 27, 40, 60)
drugB <- c(15, 18, 25, 31, 40)

opar <- par(no.readonly=TRUE)

# 1
par(pin=c(2,3))
# 2
par(lwd=2, cex=1.5)
# 3
par(cex.axis=.75, font.axis=3)
# 4-1
plot(dose, drugA, type="b", pch=19, lty=2, col="red")

# 4-2
plot(dose, drugB, type="b", pch=23, lty=6, col="blue", bg="green")

par(opar)

3.8 配置图表（进阶）

往 plot() 中传入更多参数，可以更好地定制图表。

绘制药物 A 的剂量与病人反应关系的图像：

plot(dose, drugA, type="b",
     col="red", lty=2, pch=2, lwd=2,
     main="Clinical Trials for Drug A",
     sub="This is hypothetical data",
     xlab="Dosage",
     ylab="Drug Response",
     xlim=c(0,60), ylim=c(0,70))

参数 frame.plot=FALSE：不绘制全部坐标轴，= TRUE 则绘制所有轴，形成箱状如上图。
参数 ann=FALSE ：使用默认标题和轴标签样式。
参数 axes=FALSE ：绘制默认轴。
yaxt="n" 和 xaxt="n" 表示不显示轴刻度，但是显示轴。

并不是所有绘图函数都支持这些参数，需要参考 help()。

3.8.1 配置标题

使用 title() 定制标题，基本语法是：

plot.new()
title(main="main title", sub="subtitle",
      xlab="x-axis label", ylab="y-axis label")

它也可被传入图表的配置参数.

plot.new()
title(main="My Title", col.main="red",
sub="My Subtitle", col.sub="blue",
xlab="My X label", ylab="My Y label",
col.lab="green", cex.lab=0.75)

3.8.2 配置坐标轴

使用 axis() 方法定制坐标轴，基本语法是：

axis(side, at=, labels=, pos=, lty=, col=, las=, tck=, ...)

side 指定配置的目标轴（根据轴在图表的哪一侧），1 底部，2 左侧，3 顶部，4 右侧
at 在哪里画刻度线，传入数字型向量
labels 刻度线处的标记文字，传入字符型向量。如果是 NULL，将使用刻度线处的数值（也即 at= 的值）。
pos 与另一条轴的哪个值处相交
lty 线样式
col 线和刻度线颜色
las label和轴平行(=0)或和轴垂直(=2)
tck 刻度线的长度比例，为负在轴外，为正在轴内，=0 隐藏，=1 即为网格线。

繁琐但全面 cover 的示例：

使用了 lines() 方法绘制线图。
使用了 mtext() 方法添加文字。

# Specifies data
x <- c(1:10)
y <- x
z <- 10/x
opar <- par(no.readonly=TRUE)
# Increases margins
par(mar=c(5, 4, 4, 8) + 0.1)
# Plots x vs. y, suppressing annotations
plot(x, y, type="b",
     pch=21, col="red",
     yaxt="n", lty=3, ann=FALSE) 
# Adds an x versus 1/x line
lines(x, z, type="b", pch=22, col="blue", lty=2)
# Draws the axes
axis(2, at=x, labels=x,
     col.axis="red", las=2)
axis(4, at=z, labels=round(z, digits=2),
     col.axis="blue", las=2, cex.axis=0.7, tck=-.01)
# Adds titles and text
mtext("y=1/x", side=4, line=3, cex.lab=1, las=2, col="blue")
title("An Example of Creative Axes",
      xlab="X values",
      ylab="Y=X")

par(opar)

添加无标签的“小刻度”需要 Hmisc 包的 minor.tick() 方法，例子见下一小节的示例图。

3.8.3 作辅助线

使用 abline(h=yvalues, v=xvalues) 添加辅助线.

例如如下代码：

在 y=1,5,7 处绘制辅助线
在 x=1,3,5,7,9 处绘制辅助线

# 1
abline(h=c(1,5,7))
# 2
abline(v=seq(1, 10, 2), lty=2, col="blue")

3.8.4 配置图例

使用 legend() 方法配置图例和其样式。

legend(location, title, legend, ...)

location 图例位置，语法可以是以下任意一种
- x,y 上左侧为原点的距离坐标系
- locator(1) 鼠标位置
- bottom, bottomleft, left, topleft, top, topright, right, bottomright, center 在图内的某个方位
  - inset= 参数在方位基础上位移一段距离
title 图例标题，字符串 (optional)
legend 图例标签，字符串向量
... 其他图表参数，比如col=颜色，pch=点样式，lwd=,lty=线样式，fill=图例盒子的颜色，都传入向量
horiz=TRUE 将图例设置成水平排列而不是垂直排列
bty 图例盒子类型，bg背景色，cex字号，text.color文字颜色

See help(legend) for more details.

3.8.5 综合例子 2：比较药效

对比药物 A 和药物 B 的药效。

dose <- c(20, 30, 40, 45, 60)
drugA <- c(16, 20, 27, 40, 60)
drugB <- c(15, 18, 25, 31, 40)
opar <- par(no.readonly=TRUE)
# Increases line, text, symbol, and label font size
par(lwd=2, cex=1.5, font.lab=2)
# Generates the graph
plot(dose, drugA, type="b",
     pch=15, lty=1, col="red", ylim=c(0, 60),
     main="Drug A vs. Drug B",
     xlab="Drug Dosage", ylab="Drug Response")
lines(dose, drugB, type="b",
      pch=17, lty=2, col="blue")
abline(h=c(30), lwd=1.5, lty=2, col="gray")
# Adds minor tick marks
library(Hmisc)
minor.tick(nx=3, ny=3, tick.ratio=0.5)
legend("topleft", inset=.05, title="Drug Type", c("A","B"),
       lty=c(1, 2), pch=c(15, 17), col=c("red", "blue"))

par(opar)

3.8.6 添加文字注解

使用 text() 或 mtext() 为图表添加文字。

text() 在图中添加文字，尤其用于标识某个特殊点
- 语法是 text(location, "text to place", pos, ...)
mtext() 在外边距的空白添加文字
- 语法是 mtext("text to place", side, line=n, ...)

二者共同的参数：

location 位置。值为 x,y 表示坐标位置，或 locator(1) 表示鼠标位置
pos 相对于 location 参数值的位置. 1 = below, 2 = left, 3 = above, 4 = right.
side 放置在外边距的哪一侧，1 = bottom, 2 = left, 3 = top, 4 = right。
- line 参数还可以配置文字与坐标轴的距离
- adj=0 左下角对齐，adj=1右上角对齐
其他参数，比如字号cex，颜色col和粗细font

例子：

attach(datasets::mtcars)
plot(wt, mpg,
     main="Mileage vs. Car Weight",
     xlab="Weight", ylab="Mileage",
     pch=18, col="blue")
text(wt, mpg,
     row.names(mtcars),
     cex=0.6, pos=4, col="red")

detach(datasets::mtcars)

opar <- par(no.readonly=TRUE)
par(cex=1.5)
plot(1:7,1:7,type="n")
text(3,3,"Example of default text")
text(4,4,family="mono","Example of mono-spaced text")
text(5,5,family="serif","Example of serif text")

par(opar)

3.8.7 添加数学表达式注解

可以往图表中添加数学表达式，规则见 help(plotmath).

使用 plotmath() 方法可以向图表的组件或在图中添加数学公式。

4 生成组图

4.1 混合多张图表

使用 par() 或 layout() 方法可以混合图表。

par() 里的参数
- mfrow=c(nrows, ncols) 按行排列，生成 nrow 行 nrow 列的图表阵列
- mfcol=c(nrows, ncols) 按列排列

4.1.1 使用 `par()` 函数

例子：

attach(mtcars)
opar <- par(no.readonly=TRUE)
par(mfrow=c(2,2))
plot(wt,mpg, main="Scatterplot of wt vs. mpg")
plot(wt,disp, main="Scatterplot of wt vs. disp")
hist(wt, main="Histogram of wt")
boxplot(wt, main="Boxplot of wt")

par(opar)
detach(mtcars)

注意上述代码中 hist() 方法，即使不传入 main 参数，图的默认标题也会是 “Histagram of xxx”.

4.1.2 使用 `layout()` 函数

layout 接收一个矩阵 (matrix)，根据矩阵规模和矩阵内的数字来排列图表。

可选参数: * widths 列宽，传入向量 * heights 行高，传入向量 * 相对长度使用数字型向量，绝对长度使用 lcm() 值向量

例子 1：不设置列宽和行高的基本图组

attach(mtcars)
layout(
  matrix(c(1,1,2,3), 2, 2, byrow=TRUE)
  )
hist(wt)
hist(mpg)
hist(disp)

detach(mtcars)

例子 2：设置列宽和行高的图组

attach(mtcars)
layout(matrix(c(1, 1, 2, 3), 2, 2, byrow = TRUE),
       widths=c(3, 1), heights=c(1, 2))
hist(wt)
hist(mpg)
hist(disp)

detach(mtcars)

See help(layout) for more details.

4.2 定制一张高级混合图

使用图表配置参数 fig 将多个图合并到同一张图里，定制更高级的图表。

fig 的参数：

* 规定一个坐标系 `(x,y)`，左下角 `(0,0)`，右上角 `(1,1)`
* 第一个参数是向量 `c(x1, x2, y1, y2)`，意为图形的横坐标从 x1 到 x2，纵坐标从 y1 到 y2
* 参数 `new=TRUE` ，表示在旧图上应用一个新图。

例子：在点阵图的上方和右侧增加箱线图

opar <- par(no.readonly=TRUE)
par(fig=c(0, 0.8, 0, 0.8))
plot(mtcars$wt, mtcars$mpg,
     xlab="Miles Per Gallon",
     ylab="Car Weight")
# Adds a box plot above
par(fig=c(0, 0.8, 0.55, 1), new=TRUE)
boxplot(mtcars$wt, horizontal=TRUE, axes=FALSE)
# Adds a box plot to the right
par(fig=c(0.6, 1, 0, 0.8), new=TRUE)
boxplot(mtcars$mpg, axes=FALSE)
mtext("Enhanced Scatterplot", side=3, outer=TRUE, line=-3)

par(opar)

为什么箱线图和点阵图fig参数里向量的横纵坐标参数加起来超过了 1 ？

因为向量参数 c(x1,x2,y1,y2) 是指示一个绘图范围，所以允许重合。

报错 Error in plot.new(): figure margins too large 的解决办法也是调整向量参数。

示例代码的向量参数可以让箱线图更靠近点阵图，需要经过不断尝试，找到最好的配置。

R 语言绘图基础