绘图专题 | ggplot2拼图神器patchwork

https://github.com/thomasp85/patchwork

The goal of patchwork is to make it ridiculously simple to combine separate ggplots into the same graphic. As such it tries to solve the same problem as gridExtra::grid.arrange() and cowplot::plot_grid but using an API that incites exploration and iteration.

安装加载：

1. p_load_gh('thomasp85/patchwork')

1、合并对象

两个ggplot2对象，通过'+'可以直接合并在一张图中 (默认左右等面积排布)：

p_load(ggplot)
p1 = ggplot(mtcars) + geom_point(aes(mpg, disp))
p2 = ggplot(mtcars) + geom_boxplot(aes(gear, disp, group = gear))
p1 + p2

如果未正常加载patchwork包，则会报错：

错误: Don't know how to add p2 to a plot

2、 plot_layout() 自定义排布：

You can use this call to determine the dimensions you want the plots to be arranged in, and the size of the plots.

1. p1 + p2 + plot_layout(ncol = 1)    # 按1列排布

2. p1 + p2 + plot_layout(ncol = 1, heights = c(3, 1))    # 两图高度比3:1

3、 plot_spacer() 增加图形间距：

p1 + plot_spacer() + p2        # 默认一个对象宽度的空白间距 
p1 + plot_spacer() + p2 + plot_layout(nrow = 1, width = c(5, 1, 5))        # 自定义间距

通过上示用法，已经可以很方便的完成很多形式的排布：

1. mtcars$cyl = as.factor(mtcars$cyl)

2. p1 = p1 + labs(tag = 'A')    # 给每个图添加标签

3. p2 = p2 + labs(tag = 'B')

4. p3 = ggplot(mtcars, aes(wt, mpg, color = cyl, shape = cyl)) + geom_point() + geom_smooth(method = lm, se = F, fullrange = T) + theme_classic() + scale_color_brewer(palette = 'Dark2') + theme(legend.position = 'top') + labs(tag = 'C')

5. 
   

6. # 两种不同的显示效果

7. p1 + p2 + p3 + plot_layout(nrow = 2, height = c(2, 1))    # p3在左侧

8. p1 + p2 + plot_spacer() + p3 + plot_layout(ncol = 2, height = c(2, 1))    # p3在右侧

那么，如何调整为如下的排布呢？

对此，patchwork包中也提供了极为简便的操作符！

4、操作符：

https://rdrr.io/github/thomasp85/patchwork/man/plot_arithmetic.html

通过前文，我们知道 + 合并ggplot2对象，结合 plot_layout() 可以灵活的对图形进行排布。

patchwork包中其实有更便捷的方法， | 操作符用于设置水平排布， / 操作符垂直排布。所以对于上示问题的解决办法，至少有如下三种：

# 方法1
(p1 + p2)/p3 + plot_layout(height = c(2, 1))
# 方法2
(p1 | p2)/p3 + plot_layout(height = c(2, 1))
# 方法3
(p1 + p2)-p3 + plot_layout(ncol = 1, height = c(2, 1))    # 此处'-'左边的'()'可省略

几点说明：

1、'/'其实看起来与算术表达式略有相似，'/'右侧的在分母位置，即下方

2、 '()' 或者 '{}' 用于表示嵌套关系

You can make nested plots layout by wrapping part of the plots in parentheses - in these cases the layout is scoped to the different nesting levels.

3、方法3中，操作符 - （不能当做减法）是将其左右两侧的对象置于同一嵌套水平（平级），即 p1+p2 与 p3 应当做两个对象去处理，故需要明确是按行还是按列排布，如按列排布，则要设置 ncol=1 ！

否则会报出 警告，并默认按行排布！

Warning message:In xList[i] <- valuelist="" :="">

那么，方法3中能否将 - 替换成 + 呢？

- will behave like + but put the left and right side in the same nesting level (as opposed to putting the right side into the left sides nesting level).

1. (p1 + p2)+p3 + plot_layout(ncol = 1, height = c(2, 1))

结果如下：

可见，其结果等同于去除括号后的结果，且由于参数 height 只设置了两个值，所以同时会报出警告：

Warning message:In xList[i] <- valuelist="" :="">

更多复杂的排布：

p4 = ggplot(diamonds, aes(x = price, colour = cut, fill = cut)) + geom_density(alpha = 0.5) + guides(alpha = FALSE) + theme_bw() + labs(tag = 'D')

((p1 + p2/p3) - p4) + plot_layout(width = c(2, 1))

1. (((p1 + p2)/p3) | p4) + plot_layout(width = c(2, 1))  # 此处'|'可替换为'-'

此时，我们看到，上示图形中虽然已经完成了排布，但是其风格完全不同：有灰色网格背景、白色网格背景和纯白色背景，也有四方框、半边框和无边框...这归因于单独对于某些图形的调整，那么如果是想统一呢？

很简单，对每个图形都做相同的设置，例如都用纯白背景：

p + theme_bw() + theme(panel.grid.major = element_blank(), panel.grid.minor = element_blank())

这里，p要分别替换为p1、p2、p3、p4，代码里也就会有4段高度一致的脚本...

所幸，patchwork包中也替我们考虑到了这个问题：

In order to reduce code repetition patchwork provides two operators for adding ggplot elements (geoms, themes, facets, etc.) to multiple/all plots in an assemble. * will add the element to all plots in the current nesting level, while & will recurse into nested cells.

1. ((((p1 + p2)/p3) | p4) + plot_layout(width = c(2, 1))) & (theme_bw() + theme(panel.grid.major = element_blank(), panel.grid.minor = element_blank())

如图，全部统一为纯白背景，但是有个问题，C图的图例放在了图的右侧（之前都是在上部），这是因为 theme_bw() 覆盖了之前的 theme() 设置。提供一种解决方法：

((((p1 + p2)/p3) | p4) + plot_layout(width = c(2, 1))) & (theme(panel.background = element_rect(fill = 'white', colour = 'black', size = 1), panel.grid.major = element_blank(), panel.grid.minor = element_blank()))

最终显示效果如下：

所以， & 可以将设置递归地应用到所有的嵌套水平，即拼图中所有的子图上。类似的还有个 * 操作符，只能将设置应用在当前嵌套水平上！

* will only affect the plots on the current nesting level, whereas & will recurse into nested levels

1. #(p1 + p2 + p4) * theme_bw()

2. T1 = wrap_elements((p1 + p2 + p4) * theme_bw()) + ggtitle('p1 + p2 + p4') + theme(plot.title = element_text(size = 15, hjust = 0.5, color = 'red'))

3. #(p1 + p2 - p4) * theme_bw()

4. T2 = wrap_elements((p1 + p2 - p4) * theme_bw()) + ggtitle('p1 + p2 - p4') + theme(plot.title = element_text(size = 15, hjust = 0.5, color = 'red'))

5. # 拼图组合

6. T1 - T2 + plot_layout(ncol = 1)

如图所示，对于 p1+p2+p4 ， p1、 p2、 p4三者属于同一嵌套水平，所以 * 操作符将 theme_bw() 应用在了每个图中。而对于 p1+p2-p4 ， p1+p2 与 p4 则属两个平级的嵌套层，所以 p1+p2 的图面积与 p4 的一样，而 * 只将 theme_bw() 应用在了当前嵌套水平的 p4 上，p1和 p2算是子一级水平！