R语言学习 第三篇：数据框

数据框（data.frame）是最常用的数据结构，用于存储二维表（即关系表）的数据，每一列存储的数据类型必须相同，不同数据列的数据类型可以相同，也可以不同，但是每列的行数（长度）必须相同。数据框的每列都有唯一的名字，在已创建的数据框上，用户可以添加计算列，这样，R引擎根据同一行的数据列，计算出表达式的值，并把该值作为计算列的值。数据框是数据分析中最重要的数据对象，必须熟练掌握数据框的操作。

一，创建数据框

创建数据框，常用的方式是：读取文件、读取关系表和使用函数创建，用户应根据实际的需要，选择合适的方式创建数据框。

1，读取文件

第一种方法是通过读取文件创建，常用的是用于读取文件的函数是read.table()，语法是如下所示：

read.table(file, header = FALSE, sep = "", quote = "\"'",
           dec = ".", numerals = c("allow.loss", "warn.loss", "no.loss"),
           row.names, col.names, as.is = !stringsAsFactors,
           na.strings = "NA", colClasses = NA, nrows = -1,
           skip = 0, check.names = TRUE, fill = !blank.lines.skip,
           strip.white = FALSE, blank.lines.skip = TRUE,
           comment.char = "#",
           allowEscapes = FALSE, flush = FALSE,
           stringsAsFactors = default.stringsAsFactors(),
           fileEncoding = "", encoding = "unknown", text, skipNul = FALSE)

参数释义：

• file：读取数据的文件名和路径，文件名可以是文件的绝对路径名，或是相对路径名，如果文件名是相对路径名，那么文件名是基于当前的工作目录，当前的工作目录可以通过函数 getwd() 获取；
• header：逻辑值，文件的第一行是否包含列名；
• sep：用于指定字段（列）的分隔符，默认值是空字符，行的分隔符是回车和换行；
• quote：字符的引用符，只有当文本使用引用符，才被视为字符，设置为空字符，禁用引用符；
• dec：小数点符号；
• check.names：逻辑值，是否检查列名是否符合变量的命名规范；
• colClasses：用于指定列的数据类型；
• fill：逻辑值，当设置为TRUE时，如果行的列数不够，那么填充空白的字段；
• strip.white：逻辑值，只有当sep参数指定时，用于移除字符字段两端的空格；
• blank.lines.skip ：逻辑值，当为TRUE时，跳过空白的数据行；
• encoding ：字符串，用于指定字符的编码规则，常用的编码规则是UTF-8；
• nrows ：整数值，能够读取的最大数据行数量；
• skip：整数值，从文件的开头，跳过一定数量的数据行，从下一行开始读取数据；

函数read.csv()是read.table()的包装函数，专门用于读取csv文件，例如：

df <- read.csv('D:/data.csv', check.names = FALSE, encoding = "UTF-8", blank.lines.skip = FALSE);

2，读取关系表数据

第二种方法是从关系型数据库执行SQL查询，根据查询结果创建数据框；当连接SQL Server数据库时，使用ODBC驱动程序连接数据库，R脚本引用RODBC包，调用odbcConnect连接，使用sqlQuery执行查询，获取查询结果填充数据框：

library(RODBC)
cn <- odbcConnect("data source")
df <- sqlQuery(cn,"TSQL Query")
odbcClose(cn)

3，使用函数创建

第三种方法是通过函数 data.frame()创建数据框，用户需要输入指定的数据填充数据框变量，函数data.frame()的参数row.names用于指定行的标识符，有三种指定行标识符的方式：

• 设置行的名称，为每一行命名，这样，可以通过行名称来索引观测；
• 把该参数设置为NULL，取消行的命名，R引擎会自动生成递增的整数序列作为行标识符，也就是所谓的行号；
• 也可以把行标识符设置为数据框的列名，这样，R引擎把该列的值作为行标识符，这相当于关系表的主键列。

例如，以下脚本通过指定行名称的方式来指定行标识符：

df <- data.frame(
       c1=letters[:],
       c2=c(:),
       c3=runif()>0.5,
       c4=c('r','g','b'),
       row.names=c('r1','r2','r3')
   )

打印数据框，数据框有两个维度，行和列：

> df
   c1 c2    c3 c4
r1  a    TRUE  r
r2  b   FALSE  g
r3  c   FALSE  b

二，查看数据框的元数据

数据框本身存储列的名称、行名称、列数量、和行的数量等元数据。

1，查看列和行的名称

通过函数colnames()或names()返回数据框的列名称，通过函数rownames()返回数据框的行名称，

> colnames(df)
> names(df)
[] "c1" "c2" "c3" "c4"
> rownames(df)
[] "r1" "r2" "r3"

2，查看行和列的数量

通过函数nrow()或函数ncol()，返回数据框的行数或列），函数length()返回的结果和ncol()函数返回的结果相同。

> nrow(df)
[]
> ncol(df)
[] 

三，索引数据框

索引数据框，使用中括号[]和下标来访问数据框，和索引向量一项，索引数据框的下标也有四种表示方式：正整数、负整数、逻辑值和名称（行或列的名称）。由于数据框是二维数据结构，有行和列，因此，下标的格式是[row,col]， row是行下标，用于选择行；col是列下标，用于选择列。对于row和col，在索引数据框时，必须同时指定这两个下标：

• 第一个下标用于选择行，如果row是空白的，[ ,col]  表示选择所有的行；
• 第二个下标用于选择列，[row, ] 表示选择所有列。

索引数据框，也可以设置逻辑向量为下标，而逻辑向量可以由向量的表达式来获得，这使得数据框的索引较为复杂。不过，只要理解下标的四种表示方式，不过怎么组合，都不难掌握。

1，选择多列

例如，获得数据框的一个子集，索引数据框中的第一行和第二行，第二列和第三列的数据子集：

> df[:,:]
   c2    c3
r1    TRUE
r2   FALSE

2，使用名称来索引数据框

如果只选择数据框的一列，可以使用：美元符号(&) + 列名称 来选择单列，在使用 下标和 [ ] 来选择行。

例如，通过美元符号$和列名来索引数据框的列c1，通过下标和[]来选取第二行和第三行：

> df$c1[:]
[] b c
Levels: a b c

从返回的结果中可以看到，R引擎把字符类型的列自动转换为因子类型来存储，可以使用as.character()函数把因子类型转换为字符类型的向量：

> as.character(df$c1[:])
[] "b" "c"

如果要引用单列的所有行，可以不对行进行过滤，使用 "&+ 列名"， 返回该列的所有数据行，例如：

df$c1

使用这种方式索引数据框，得到的是向量，其行为和普通的向量相同，支持向量运算。

3，下标为逻辑向量

逻辑向量，通常是由向量的条件表达式计算得到的，例如：

> df$c2>
[] FALSE  TRUE  TRUE

查看逻辑向量的元素值，为TRUE的位置刚好是数据框c2列中大于1的行，因此，可以通过这种方式，按照特定的条件获取数据框的子集，例如，获取数据框中c2列大于1的数据行：

> df[df$c2>, ]
   c1 c2    c3 c4
r2  b   FALSE  g
r3  c    TRUE  b

当然，也可以使用逻辑运算符，组合多个条件，获得满足条件的所有数据行，例如：

df[df$c2> & df$c, ]

4，小标为列名

当使用两个中括号时，第一个中括号内指的是列名，包括所有数据行：

df['c1']

第二个中括号是行选择器：

> df['c1'][df['c2']>1]
[] "b" "c"

举个例子，第一个中括号索引c2列的所有的行，第二个中括号对行进行筛选，只选择c2的值<=2的行：

df[,'c2'][df[,'c2']<=2]

四，获取数据框的子集

从数据框中按照特定的条件获取子集，这实际上是根据特定列的值，来限制返回的观测的数量。

1，通过设置行索引获取子集

这是利用数据框的下标为逻辑向量来过滤数据行，由于索引数据框，需要多次书写数据框的名称，df[df$c2<= df | c3, ] ，十分麻烦，为了简化流程，可以使用函数with()或within()，这样，可以省略数据框名称和$符号，例如：

> with(df,df[c2<=|c3,])
   c1 c2    c3 c4
r1  a   FALSE  r
r2  b    TRUE  g

2，通过subset()函数获取子集

函数subset()用于获取数据框的子集，第一个参数（x）是数据框；第二个参数（subset）是逻辑表达式，用于过滤数据行；第三个参数（select）是投影的数据列，用于选择的特定的列。

subset(x, subset, select, drop = FALSE)

例如，从df中获取c2不大于2，返回第二列和第三列的结果：

> subset(df,c2<=,c(:))
   c2    c3
r1    TRUE
r2   FALSE

五，数据框的基本操作

操纵数据框，例如，选择子集（subset），合并数据框，排序数据框，添加或修改数据列，把数据值排名等，最终把数据转换成相应的形式，用于数据分析，本节只简单分享操纵数据框的方法。

1，添加列和行

使用rbind()函数向数据框中添加一行或多行数据，也就是说，按行纵向扩展；使用cbind()函数向数据框中添加一列或多列数据，也就是说，按列横向扩展。

2，合并数据框

使用merge9)函数合并数据框，merge()函数的作用类似于SQL语言中的连接（Join）操作，用于把两个数据框，按照特定的数据列做连接操作，函数的定义如下：

merge(x, y,
      by = intersect(names(x), names(y)), by.x = by, by.y = by,
      all = FALSE, all.x = all, all.y = all,
      sort = TRUE,
      suffixes = c(".x",".y"),...)

参数注释：

• x,y 参数：指定合并的两个数据框；
• by参数：字符串，指定合并列，当两个数据框有相同的数据列名字时，merge函数将按照同名的数据列名称合并；
• by.x,by.y 参数：字符串，分别指定数据框的合并列，用于指定merge函数将按照数据框x和y的哪些数据列进行合并；
• all：逻辑值，完全显示两个数据框的所有数据行，当合并列的值不存在于数据框x或y中，该数据框的列值显示为NA；
• all.x，all.y：逻辑值，指定完全显示的数据框，例如，当折merge函数的all.x=TRUE，all.y=FALSE是，合并的结果把数据框x的数据列全部显示，如果合并列的值不存在于数据框y，那么y的其他数据列显示为NA。
• sort：逻辑值，指定是否对结果排序；
• suffixes：为非合并列添加后缀；

例如，创建两个数据框，按照df1的数据列x，和数据框df2的数据列m，对这两个数据框执行合并操作：

> df1=data.frame(x=c('a','c','e'),y=:)
> df2=data.frame(m=c('a','c','f'),n=:)
> merge(df1,df2,by.x='x',by.y='m')
  x y n
 a
 c
>
> merge(df1,df2,by.x='x',by.y='m',all=TRUE)
  x  y  n
 a
 c
 e   NA
 f NA  

2，添加和替换列

方法1：直接对数据框的数据列进行赋值，来实现对数据框的数据列的添加或替换：

df1[,'z'] <- c('z1','z2','z3')
df1$z <- c('z1','z2','z3')

方法2：使用with参数，with函数（with(data, expr)）接受一个数据框对象和要计算的表达式作为输入参数，with函数返回值是表达式的值，with函数只能添加或修改一个数据列：

df1 <- with(df1,{z=c('z1','z2','z3')})

方法3：使用within函数，within函数（within(data, expr)）接受一个数据框对象和要计算的表达式作为输入参数，within函数返回的是更新后的数据框对象，within函数可以在大括号中添加多个表达式，能够一次操作多个数据列：

df1 <- within(df1,{z=c('z1','z2','z3')} )

方法4：使用plyr包中的mutate函数，该函数用于向数据框中添加数据列或转换已经存在的数据列，接受一个数据框对象，和多个”name=value“对，返回修改后的数据框对象：

df1 <- df1 %>% mutate(z=c('z1','z2','z3'))

3，排序

order()函数能够对数据框进行排序，order(x)函数：返回第i个元素是x中元素在排序之后的序号，对数据框进行排序时，可以分两步进行下去，第一步获取行的序号，第二部按照行号查询数据框：

> y_order <- order(df1[,'y'])
> df1[y_order,]

还有一个方法，使用dplyr包中的arrange函数，只用一行就能实现对数据框的排序：

arrange(df1,y)

4，排名

rank()函数可以为数据框中的列进行排名，不过rank()函数只能作用于向量，只能返回向量元素的排名：

rank(x, na.last = TRUE, ties.method = c("average", "first", "last", "random", "max", "min"))

操作数据框，在数据分析中占用很大的比重，后续，我们再深入探讨。