Matplotlib 如何调整图例中两列的行对齐方式

在使用Matplotlib绘图的过程中，经常需要加入图例来说明不同曲线或图形的含义，而图例的布局方式也是需要注意的。如果图例的条目过多，有时需要将图例布局成两列，而这时候就会遇到一些行对齐的问题。本文将介绍如何使用Matplotlib来调整图例的行对齐方式，实现两列图例中的行对齐。

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绘制带图例的图形

在介绍行对齐问题之前，我们先来看一个简单的例子，如何在Matplotlib中绘制带图例的图形。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

x = np.arange(0, 5, 0.1)
y1 = np.sin(x)
y2 = np.cos(x)
y3 = np.tan(x)

fig, ax = plt.subplots()

ax.plot(x, y1, label='sin(x)')
ax.plot(x, y2, label='cos(x)')
ax.plot(x, y3, label='tan(x)')

ax.legend(loc='upper right')

plt.show()

这段代码会生成一个包含正弦、余弦和正切函数的折线图，并在图形的右上方加入一个图例。其中，ax.plot()函数用于绘制曲线，ax.legend()函数用于添加图例，loc='upper right'用于设置图例的位置。

从图中可以看到，图例中包含了三条曲线的标签和颜色，使得读者可以更好地理解这幅图形。

Matplotlib图例行对齐问题

在某些情况下，一张图上需要同时显示多条曲线的标签和颜色，而这时候图例就不可避免地会出现行对齐的问题。比如，我们将前面的例子中的三条曲线的数量增加到10条，并将图例布局成两列：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

x = np.arange(0, 5, 0.1)
y = np.zeros((10, len(x)))

for i in range(10):
    y[i] = np.sin(x + i/2)*np.exp(i/20)

fig, ax = plt.subplots()

for i in range(10):
    ax.plot(x, y[i], label=f'sin(x+{i/2})exp({i/20})')

ax.legend(loc='upper right', ncol=2)

plt.show()

这段代码会生成一个包含10条曲线的折线图，并在图形的右上方加入一个图例，图例布局成两列。ncol=2用于设置图例的列数。

从图中可以看到，虽然图例已经按照两列布局，但是每列的行之间并不对齐，导致图例看起来比较杂乱。这时候就需要对图例的布局进行调整，使得两列的行在相同的高度上对齐，这样才能更好地展示图例中的信息。

调整图例行对齐方式

Matplotlib提供了多种方法来调整图例的行对齐方式，可以使用下面介绍的一些方法来实现在两列图例中的行对齐。

使用legend_handler

Matplotlib中的legend_handler可以用来处理图例的布局，其中最常用的是HandlerTuple、HandlerLine2D和HandlerPatch。当我们需要自定义图例的layout时，常用HandlerTuple来实现对图例条目的处理。

我们需要先定义一个新的handler类MyHandler，它继承自HandlerTuple，并重写其中的create_artists()方法来实现对图例条目的处理。具体代码如下：

class MyHandler(HandlerTuple):
    def __init__(self, **kwargs):
        HandlerTuple.__init__(self, **kwargs)

    def create_artists(self, legend, ori_handle, xdescent, ydescent,
                       width, height, fontsize, trans):
        handlers = []
        for handle in ori_handle:
            handler = HandlerLine2D(numpoints=1)
            artist = handler.create_artists(legend, handle,
                                            xdescent, ydescent,
                                            width, height, fontsize, trans)
            handlers.extend(artist)
        return handlers

这个handler类的主要目的是将一列中不同的图例条目转换为一个tuple，然后方便布局。然后我们就可以在绘图时调用这个handler来添加图例，并指定布局方式，例如：

fig, ax = plt.subplots()

for i in range(10):
    ax.plot(x, y[i], label=f'sin(x+{i/2})exp({i/20})')

leg = ax.legend(handler_map={MyHandler: HandlerTuple(ndivide=None)}, ncol=2, fontsize=8)
for legobj in leg.legendHandles:
    legobj.set_linewidth(2.0)

plt.show()

这段代码中，我们使用handler_map参数来指定对图例的处理方式为MyHandler，然后可以设置ncol和fontsize参数来调整图例布局和字体大小。

从图中可以看到，在图例的布局中，两列的行已经对齐了，并且每一行内的图例条目也被分组展示。这种方法可以用于处理行对齐的问题，同时还可以对图例条目进行自由的定制。

使用legend_grid

另一种常用的处理图例布局的方法是使用legend_grid。这个方法的主要思想是将图例条目分别放置在一个网格中，然后按照相同的行高进行对齐。指定legend_grid的方式通常是在legend()函数中使用参数mode='expand'和ncol=N，并将返回的legend对象转化为legend_grid对象，之后通过legend_grid对象的属性调整行高和列宽，最后再将legend_grid对象转化为legend对象。

import matplotlib.gridspec as gridspec

fig, ax = plt.subplots()

for i in range(10):
    ax.plot(x, y[i], label=f'sin(x+{i/2})exp({i/20})')

leg = ax.legend(ncol=2, fontsize=8, mode='expand')
plt.draw()
renderer = fig.canvas.get_renderer()
bbox = leg.get_window_extent(renderer)
border = 0.05
width = bbox.width/(2+border)
height = width/2

gs = gridspec.GridSpecFromSubplotSpec(2, 2, subplot_spec=ax.set_position([0.1, 0.2, width*2, height*5]), wspace=0.05, hspace=0.05)

axes = []
for i in range(10):
    row = i // 4
    col = i % 2
    ax_legend = plt.Subplot(fig, gs[row, col])
    ax_legend.set_axis_off()
    ax_legend.plot([0, 1], [1, 1], lw=2, color=f'C{i}')
    ax_legend.text(0.5, 0.5, f'sin(x+{i/2})exp({i/20})', ha='center', va='center', fontsize=6, color=f'C{i}')
    fig.add_subplot(ax_legend)
    axes.append(ax_legend)

leg2 = legend_grid(axes, ncol=2, position='center', fontsize=8, border=False, columnspacing=0.2)

plt.show()

这段代码首先绘制图形，然后使用legend()函数来添加图例，并将返回的legend对象转化为legend_grid对象，并使用get_window_extent()来获取图例组件的边界框。接下来按照一定的比例计算每个网格的宽度和高度，并创建一个网格gs来存放每个网格，并将其添加到图形中。然后在每个网格中创建一个新的subplot对象，并在其中绘制每个图例条目。最后将这些图例条目放置到一个新的legend_grid中，并调整其布局和字体等属性。

从图中可以看到，在使用legend_grid的方式下，两列的行也已经对齐了，并且每一行内的图例条目都被分组展示。这种方法相比于使用handler来处理图例，需要添加更多的代码，但是可以更加精确地控制图例的布局。