Python matplotlib底层原理浅析

盆友圈的小可爱
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复习回顾

前期，我们已经学习了matplotlib模块相关的基础知识，对 matplotlib 模块折线图、饼图、柱状图进行操作。

我们都知道matplotlib 是偏向底层用于可视化数据处理的库，我们在绘制图表的时候主要步骤主要有四大步骤

  • 导入 matplotlib.pplot库
  • 使用pandas/numpy模块对数据进行整分析理
  • 调用pyplot中绘制方法绘制折线图、饼图等
  • 调用pyplot.show展示出来

在matplotlib官网上，可以看到丰富多样的图表教程

image.png

以上是我们上一期学习的内容，对于matplotlib模块来说它的底层是怎么工作的？

俗话说，学习要做到知其然，也要知其所以然，这样才能更好使用matplotlib模块相关方法。

哪我们接下来开始对matplotlib底层进行学习，Let's go~

1. matplotlib 框架组成

matplotlib 模块在众多数据可视化库中可以可以实现复杂的底层操作。像gglot、seaborn、plotnline 底层都是基于matplotlib 模块去封装不同风格的统计图表。

matplotlib 模块底层主要是由三部分组成脚本层、美工层和后端层。

  • 脚本层：为用户提供可视化编程的接口
  • 美工层：有大量绘制图表方法的接口
  • 后端：连接硬件，处理图像元素的接口

image.png

PS：matplotlib框架说明

2. 脚本层（scripting）

脚本层属于matplotlib模块中最上层，主要为用户提供可视化编程的接口，代表pyplot模块。

对于普通用户，pyplot接口可以满足大多数文本的图像和坐标的生成，传给后端进行处理。

  • matplotlib.pyplot接口导入时，通常是import matplotlib.pyplot as plt

    • 导入pyplot 模块并重名为plt
    • pyplot 模块加载时，会对本地的配置文件进行分析
    • 同时会声明默认的后端，例如声明创建Figure对象
    • 将脚本深拷贝给后端后退出

  • pyplot 模块提调用matplotlib的方法

    • 供给用面向oo调用风格，显示创建图形和轴调用其方法
    • 依靠pyplot 自动创建和管理图形和轴，并使用pyplot函数进行绘图

  • 用户只需调用pyplot模块相关的方法，就可以绘制漂亮的图表啦

    
from matplotlib import pyplot

import pandas

pyplot.rcParams["font.sans-serif"]=['SimHei']
pyplot.rcParams["axes.unicode_minus"]=False

pyplot.bar([1,2,3,4,5,6],[45,20,19,56,35,69])

pyplot.title("data analyze")
pyplot.xlabel("元素 a")
pyplot.ylabel("元素 b")

pyplot.show()

    image.png

3. 美工层（artist）

在美工层位于matplotlib中间层，主要进行数据相关的绘制工作，绘制图表中的标题、直线、刻度等都是artist对象的实例。

  • artist 层特点

    • 脚本层创建的Figure对象是Artist对象实例
    • Artist的基类是matplotlib.artist.Artist，共享所有Artist属性包括从美工系统到画布坐标系统变化等
    • 提供处理用户交互动作的接口

  • matplotlib 图表对象

我们可以通过如下matplotlibe图表中可以看到一张图表由多个对象组合而成的。

image.png

  • matplotlib 图表对象说明

    对象说明
    Figure图形，弹出框口即是figure
    axes子图
    title标题
    legend图例
    Major tick大标尺刻度
    Minor tick小标尺刻度
    Line线型图
    axis label坐标指标说明
    Marker数据标准说明

  • Artist 对象说明

    ArtIst 对象包含Figure、Axes、Axis对象，是它们的基类，其Artist对象都全部位于后端提供的canvas画布上。

    • Figure

      • 一个图表窗口即是一个figure对象
      • figure对象中至少要包含一个Axes对象子图
      • figure对象中可以包含title、label等Artist对象
      • figure对象中包含的不可见对象canvas。绘制图像时会进行调用

    • Axes

      • axes 是子图对象，子图对象指的是x和y轴.
      • axes 常用有set_xlabel()、set_ylabel()设置x和y轴坐标名字

    • Axis

      • axis 是代表数据轴的对象，主要用于表示刻度位置和显示数值
      • axis 包含用于控制刻度位置的Locator和显示刻度Formatter两个子对象

    • Artist对象层级结构图如下

      image.png

4. 后端层（backend）

后端层主要是matplotlib 模块底层实现，主要实现了三方面的抽象接口 4.

  • FigureCanvas：对Artist对象绘制提供画布功能进行封装

    matplotlib 模块底层是基于硬的用户画面，FigureCaves接口主要完成前期初始化工作

    • 将自身嵌入到原生的QT视觉窗口（QtGui.QMainWindow）
    • 将matplotlib的绘制命令Render转换到canvas上（QtGui.QPainter）
    • 将原生Qt事件转成matplotlib的Event接口,Event接口接收到信息后进行处理

  • Renderer: 相当于画笔，执行绘制动作

    Render 主要提供硬件底层的绘图接口，能对Artist绘制命令进行执行。

    • Render 接口最初源于GDK的Drawable接口，后来转换成独立后端的原生绘图命令。
    • matplotlib 是支持C++模块库基于像素点核心渲染器agg
    • 可以进行2d反锯齿渲染、PNG图片生成

  • Event： 处理用户键盘和鼠标输入事件

    Event 框架是将key-press-event或者mouse-motion-event等UI事件映射到键盘或者鼠标事件类中。

    • 用户可以连接事件，使用函数进行回调
    • 图形与数据交互

总结

本期，对matplotlib模块底层实现进行深入地认识和学习。在matplotlib模块中底层是基于C++模板库Agg来渲染图片效果的，同时提高脚本层pyplot让非专业的人也能轻松处理数据展示数据。

以上是本期内容，欢迎大佬们点赞评论，下期见~

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