本文簡要介紹Matplotlib做圖工具的系統(tǒng)架構(gòu)，文章使用類圖簡要梳理Matplotlib的核心架構(gòu)思路，立足于洞察工具的核心架構(gòu)邏輯，支撐工具的日常使用。并對(duì)畫布的四層級(jí)容器的作用和使用做演示說明。

一、概要架構(gòu)圖

用計(jì)算機(jī)工具做圖，是現(xiàn)實(shí)世界中畫畫，本質(zhì)需要準(zhǔn)備的東西是一致的，主要包括畫圖工具和畫布兩大模塊。

二、畫圖工具

1. 畫圖工具說明

畫圖工具就是各種筆，鉛筆、水彩筆、刷子、顏料等，每種工具發(fā)揮的作用各有不同。

matplotlib采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)架構(gòu)，設(shè)計(jì)中肯定借鑒了該思路。區(qū)別是計(jì)算機(jī)程序不能完全對(duì)照現(xiàn)實(shí)的對(duì)象構(gòu)建程序。

現(xiàn)實(shí)中，畫家雖然需要準(zhǔn)備各種畫筆，但是最終有價(jià)值的是畫家涂鴉的各種形狀、色彩、布局等，畫筆、顏料等只是實(shí)現(xiàn)涂鴉的手段。

計(jì)算機(jī)畫圖，本質(zhì)是操作各種數(shù)字的變化涂鴉，所以畫圖工具，只需要構(gòu)建各種可以用來組裝的基本圖形、顏色的積木和拼裝平臺(tái)即可。

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下圖中的rectangel、circle、line2d、axesimage等就是可供拼接的積木。window、figure、axes、axis就是積木拼接的平臺(tái)。

2. 畫圖工具類圖

按照面向?qū)ο蟮乃枷耄蟛糠值募軜?gòu)都會(huì)劃分為工具區(qū)和應(yīng)用區(qū)。此處工具區(qū)的包括各種形狀的定義、顏色、線條等。

三、 圖像載體

畫布屬于圖像載體，圖像載體還包括其他間接載體，硬盤也是圖像載體。

1. 圖像載體說明

有了畫圖工具，接下來就需要畫布。現(xiàn)實(shí)生活中可以在墻上、紙上、沙地上，各種載體都可以作為畫布。顯然，畫在墻上，別人想?yún)⒂^，只能到現(xiàn)場，畫到紙上，可以把紙帶給別人，畫在沙地上，風(fēng)吹就會(huì)消失。

只有所承載的容器能被更大的容器容納，能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存、運(yùn)輸、交換，這個(gè)載體才是好載體。

為了使圖畫能支撐更多的移動(dòng)、組合，matplotlib使用了四層容器。

2. 圖像載體類圖

3. 載體承載關(guān)系圖

容器承載的邏輯生活中到處都是：餅干密封到包裝袋、然后一起包裝到盒子、箱子里，裝到運(yùn)載車輛里，車輛在地球上，地球在宇宙中…

使用容器承載，就需要以對(duì)容器指定坐標(biāo)系，用以確定承載物的位置關(guān)系。比如袋子裝餅干、杯子接水，只是這種承載非常直觀，我們并未顯式的聲明容器的位置關(guān)系。只有特別大的東西才會(huì)聲明坐標(biāo)系，比如地球的經(jīng)緯度坐標(biāo)系。

在計(jì)算機(jī)世界里，所有的東西都需要人工構(gòu)建出來，所以所有的容器都需要聲明坐標(biāo)系。小到數(shù)值，大到對(duì)象、模塊、應(yīng)用程序，只是隨著軟件的發(fā)展，直接面向內(nèi)存編碼的任務(wù)更多的交給計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)執(zhí)行了。

四、 單坐標(biāo)系構(gòu)圖

雖然，容器層層包裝的情況是普遍的，但是各個(gè)容器之間的關(guān)系并不是均等的，比如雖然餅干經(jīng)過若干層的包裝，但是只有餅干本身才是營養(yǎng)的最終承載者，其余的塑料包裝、盒包裝、箱包裝、到汽車車廂等，其他所有的容器的意義都是為了方便餅干的保存、交易、運(yùn)輸?shù)裙δ堋?/p>

Axes在這四個(gè)包裝容器的地位如同餅干相對(duì)于盒、箱、車廂包裝的意義。

Axes是容器的核心，所有的畫圖工具都可以通過該對(duì)象直接訪問，雖然axis是最小的容器，但是脫離Axes對(duì)象，Axis對(duì)象無法單獨(dú)發(fā)揮作用。

1. 單坐標(biāo)圖的默認(rèn)效果

如下圖，坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)為：（-10，10）與函數(shù)x的區(qū)間完全一致。

該圖使用x的數(shù)值邊界作為坐標(biāo)系x軸邊界，此處（-10，10）被用作axis的默認(rèn)值。

此種訪問邏輯，沒有顯式的聲明window、figure、axes、axis并不表示他們不存在，pyplot是用裝飾器模式，將這四個(gè)對(duì)象的細(xì)節(jié)隱藏起來了，可以極大減少參數(shù)的輸入，降低使用的復(fù)雜度。

2. 單坐標(biāo)圖調(diào)增坐標(biāo)系范圍

axis是坐標(biāo)軸有兩個(gè)軸，x軸和y軸的大小是分別調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。

調(diào)整后的坐標(biāo)軸和x，y的范圍不一致了。該方式可以用于調(diào)整查看圖形的視角。

對(duì)比可知，兩條曲線從數(shù)值上看是完全相同的，但是坐標(biāo)系的大小不同，可觀察的視覺就不同。

3. 單坐標(biāo)系疊加多圖

如代碼所示，如果仍然僅適用默認(rèn)的axes，多個(gè)疊加的圖，只能共享同一個(gè)坐標(biāo)系。

五、多坐標(biāo)系疊加多圖

疊加多坐標(biāo)軸圖片時(shí)，必須顯式的聲明figure、axes，否則無法實(shí)現(xiàn)。

window不需要顯式聲明是因?yàn)?，代碼執(zhí)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)聲明，每次執(zhí)行就是一個(gè)window。

axis不需要顯式聲明是因?yàn)?，axis與axes是一對(duì)一對(duì)應(yīng)的并且是聚合關(guān)系，聲明axes時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)聲明axis。

figure、axes必須手動(dòng)聲明是因?yàn)?，他們與父類都是組合關(guān)系，他們與父類組合時(shí)，需要每個(gè)子類以對(duì)象的維度單獨(dú)聲明。

由于figure、axes需要單獨(dú)聲明，所以需要輸入的參數(shù)較多，非必要不要使用該方式。

此處要使用多個(gè)坐標(biāo)軸，只能聲明多個(gè)axes，無法單獨(dú)聲明axis，所以代碼邏輯如下：

此處代碼，figure(),括號(hào)內(nèi)可以無輸入坐標(biāo)信息，因?yàn)楦鱾€(gè)figure之間是相互獨(dú)立的，figure內(nèi)部各對(duì)象之間相互無影響。也可以輸入任意數(shù)組。兩個(gè)對(duì)象的區(qū)分靠變量名實(shí)現(xiàn)。

從圖中一個(gè)x值對(duì)應(yīng)兩個(gè)y的值，說明這是兩個(gè)函數(shù)的疊加。該方式訪問十分復(fù)雜，非必要不要直接使用ax1對(duì)象訪問。此處僅做示意。

六、 多圖片布局

多個(gè)圖片之間布局，位置定位有兩種思路

1. 絕對(duì)位置定位：用實(shí)際位置坐標(biāo)定位圖片位置
2. 相對(duì)位置定位：用數(shù)組自動(dòng)將圖片切分成相同大小的行和列，根據(jù)行和列的位置定位。

1. 絕對(duì)坐標(biāo)布局法說明

Axes在figure容器內(nèi)，就需要定義準(zhǔn)確的位置，距離左邊框的數(shù)值left，距離下邊框的bottom，axes自己的寬度width，axes自己的高度height。

Axes初始化時(shí)，需要作為顯式參數(shù)傳值。

2. 絕對(duì)坐標(biāo)布局法實(shí)踐

3. 相對(duì)坐標(biāo)布局法說明

同一個(gè)畫布上可以分為多個(gè)模塊，分別作畫。

畫布的布局是用單元格的方式：

• 參數(shù)一：整個(gè)畫布有幾行
• 參數(shù)二：當(dāng)前行有幾列
• 參數(shù)三：當(dāng)前是第幾個(gè)子圖位置

十以內(nèi)，2，1，1與211效果等同。

示意圖如下：

4. 絕對(duì)坐標(biāo)布局法實(shí)踐

七、 多圖片自動(dòng)切割

如圖，同一個(gè)figure導(dǎo)出的圖片是同一張，多個(gè)figure，每個(gè)figure都是獨(dú)立的一張圖片。

所以下面代碼兩個(gè)圖片導(dǎo)出是獨(dú)立的，axes的參數(shù)并不能影響兩個(gè)axes之間的排序，因?yàn)樗麄儾辉谝粋€(gè)容器里。