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pb代碼graph繪圖表_[LaTeX 繪圖] tikz 繪制流程圖，概述和兩個示例

本文已加入專欄文章目錄，歸入「示例」文章系列。

流程圖，或者類似流程圖的繪圖目标，主要指具有以下特征的圖形組合：

  • 多個帶框文本，框的形狀、框之間的位置關系有規律
  • 多條帶箭頭的線，線連接配接框

（這裡是想說，在具體的使用場景和學科背景下，圖形們各有各的叫法和名字，但從繪圖的角度，它們和本文所介紹的「流程圖」有很大的共性。）

以下，在無明顯歧義時，我們用 node 代指「帶框文本」，用 arrow 代指「帶箭頭的線」。

在 tikz 文檔的 Tutorials 中，有

  • Sec. 3 Tutorial: A Petri-Net for Hagen 和
  • Sec. 5 Tutorial: Diagrams as Simple Graphs

兩個流程圖繪制的例子。本文提及的大部分内容，都能在這兩個官方文檔示例中找到介紹。

引入例子

一個簡陋的例子

documentclass{article}
usepackage{tikz}
usetikzlibrary{positioning, shapes.geometric}

begin{document}
begin{tikzpicture}[node distance=10pt]
  node[draw, rounded corners]                        (start)   {Start};
  node[draw, below=of start]                         (step 1)  {Step 1};
  node[draw, below=of step 1]                        (step 2)  {Step 2};
  node[draw, diamond, aspect=2, below=of step 2]     (choice)  {Choice};
  node[draw, right=30pt of choice]                   (step x)  {Step X};
  node[draw, rounded corners, below=20pt of choice]  (end)     {End};
  
  draw[->] (start)  -- (step 1);
  draw[->] (step 1) -- (step 2);
  draw[->] (step 2) -- (choice);
  draw[->] (choice) -- node[left]  {Yes} (end);
  draw[->] (choice) -- node[above] {No}  (step x);
  draw[->] (step x) -- (step x|-step 2) -> (step 2);
end{tikzpicture}
end{document}
pb代碼graph繪圖表_[LaTeX 繪圖] tikz 繪制流程圖，概述和兩個示例

上述例子中，故意略去了

  • 關于 node 的設定，如外框形狀
  • 關于 arrow 的設定，例如線的樣式、箭頭的樣式等
  • 關于顔色和字型的設定

這些都可以通過定義 tikz style 來解決。

上述例子中，值得關注的是這些：

  • 少用、甚至不用具體坐标
    • 第一個 node 省略了坐标，相當于指定了

      (0, 0)
    • 從第二個 node 開始，利用 tikz library

      positioning

       提供的選項（例如

      below=of <node name>

       ）， 指定相對位置關系。
    • 效果是，每組 node，外框之間的（最小）距離都相同，是

      node distance

       指定的

      10pt

       ；在需要手動調整距離時，可以使用

      right=<dimen> of <node name>

       。
  • 繪制 arrow 時，完全使用 node name
  • 在繪制 arrow 時一并輸入 arrow 周圍的文字标注

配合設定好的 tikz style，這已經是一個功能完整、可以接受的流程圖繪制方式了。這種繪制方式，在 tikz 文檔 Sec. 3 和 Sec. 5 裡也能見到，但文檔中的例子沒有止步于此。

簡化 arrow 的輸入

例子中，繪制 arrow 用了一半的輸入行，而我們需要的不過是一串首尾相接的 arrow，例如

(start) -> (step 1) -> (step 2) -> (choice) -> (end)

。

graph

指令就接受這樣的輸入。（輸出效果同上，不重複貼圖）

documentclass{article}
usepackage{tikz}
usetikzlibrary{graphs, positioning, quotes, shapes.geometric}

begin{document}
begin{tikzpicture}[node distance=10pt]
  node[draw, rounded corners]                        (start)   {Start};
  node[draw, below=of start]                         (step 1)  {Step 1};
  node[draw, below=of step 1]                        (step 2)  {Step 2};
  node[draw, diamond, aspect=2, below=of step 2]     (choice)  {Choice};
  node[draw, right=30pt of choice]                   (step x)  {Step X};
  node[draw, rounded corners, below=20pt of choice]  (end)     {End};
  
  graph{
    (start) -> (step 1) -> (step 2) -> (choice) ->["Yes"left] (end);
    (choice) ->["No"] (step x) ->[to path={|- (tikztotarget)}] (step 2);
  };
end{tikzpicture}
end{document}

注意到

  1. 新加載了兩個 tikz library
    1. library

      graph

       ，用于提供

      graph

       指令
    2. library

      quotes

       ，将 node label 的輸入從

      label={[<options>]<text>}

       簡化為

      "<text>"<options>
  2. 雖然

    (start) -> (step 1) -> (step 2) -> (choice) -> (end)

     的文法大大簡化了輸入，但是标記 node label 和繪制非簡單 arrow 變麻煩了，帶來了學習成本
  3. 如果使用了選項

    use existing nodes=true

     ，輸入

    (start) -> (step 1) -> (step 2)

     能進一步簡化為

    start -> step 1 -> step 2

     。

tikz 文檔 Sec. 5.4.1 就介紹了這種繪制方式：

  • 帶框文字用

    node

     結合 tikz library

    positioning
  • 帶箭頭的線用

    graph

     結合 tikz library

    quotes

其他可選的方案

  • 帶框文字用

    node

     結合 tikz library

    positioning

     ，帶箭頭的線用操作符 edge。
    • 這是 tikz 文檔 Sec.3 的最終狀态
    • 優勢：代碼結構清晰，額外學習成本低
    • 劣勢：每條線對應一個 edge，線多時仍然麻煩
  • 用

    graph

     同時處理兩件事。
    • 這是 tikz 文檔 Sec. 5 的最終狀态
    • 優勢：線的标記十分輕量
    • 劣勢：
      • 一定的額外學習成本，包括；
      • 兩件事同時做，代碼可讀性降低；
      • 圖的生長方向由代碼自動決定，如需 100% 控制圖的最終效果，手動調整不可少
  • 用

    matrix

     處理框的相對位置
    • 這是 tikz 文檔 Sec. 5.3 的狀态
    • 優勢：配合 tikz library

      matrix

       的

      matrix of nodes

       選項，在某些情況下能大幅簡化 node 的輸入

具體例子 1，

matrix

 配合 tikz library

chains

注意，

  • 示例隻是說明「在這種情況下，可以這麼做」，不傳遞類似「這是最佳操作」的資訊。
  • 實際使用中，應結合圖形特征和自己的 tikz 知識，決定使用的輸入方式。
  • 繪圖的首要目的是「能畫出來」，資源允許時兼顧輸入的優雅。

忽略 tikz style 的定義，隻看例 1 中 tikzpicture 環境内容的輸入方式和輸出效果。

begin{tikzpicture}
  %% upper nodes
  matrix (m1) [upper matrix] {
    |[box 1=01000000]| sentry &
    |[box 1=01000001]| 2      &
    |[box 1=01001001]| 18     &
    |[box 2=11000000]| sentry &
    |[box 2=11000001]| 3      &
    |[box 2=11010001]| 11     &
    |[box 2=11011001]| 27     
  };
  %% chain
  begin{scope}[start chain]
    foreach i in {1, ..., 7} {
      chainin (m1-1-i);
    }
  end{scope}
  %% lower nodes
  matrix (m2) [at=(m1-1-3), lower matrix] {
    0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 
  };
  %% curving arrows
  draw[loose arrow=0.6, out=120, in=-50] (m2-1-3.north) to (m1-1-1.south);
  draw[arrow, out=90, in=-105] (m2-1-4.north) to (m1-1-4.south);
end{tikzpicture}
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解釋說明：

  1. 上下分成兩個

    matrix

     進行輸入，
    1. 上方

      matrix

       的特征是，每個 node 頂部都有 node label，這裡以選項參數的形式輸入 node label text
    2. matrix of nodes 模式下，每個 node 的參數可通過

      |[<options>]|

       輸入
  2. 帶箭頭的線可分為兩類
    1. 連接配接（上方

      matrix

       ）相鄰 node 的直線。因為 matrix 中的 node name 有規律，這裡借助 tikz library

      chains

       ，以循環的方式适當簡化輸入
    2. 連接配接上下方 node 的曲線。
      1. 每條曲線對應一根三次貝塞爾曲線。
      2. 這裡通過選項

        in

         和

        out

         控制曲線出發和到達時的角度，再通過選項

        looseness

         控制曲線的「彎曲程度」。
      3. 這三個選項的綜合效果，和直接調整貝塞爾曲線的控制點不等價；在額外使用選項

        in control

         和

        out control

         後，能等價。

例 1 有一個變體。主要變化是，在下方

matrix

中通過使用

set color=<color>

改變之後所有 nodes 的填充色，适當簡化下方

matrix

的輸入。

%% lower nodes
  matrix (m2) [below right=30pt and -10pt of m1-1-3, lower matrix] {
    0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 
    |[set color=DodgerBlue3]| 10 & 11 & 12 & 13 & 14 & 15 
  };
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最後，看一眼例 1 的 tikz style 部分

% PassOptionsToPackage{x11names}{xcolor}

usetikzlibrary{
  arrows.meta,
  chains,
  matrix,
  positioning,
}

makeatletter
[email protected]{white}

tikzset{
  set color/.code = { [email protected]{#1} },
  %% node
  box/.style = {
    draw,
    rounded corners=2mm,
    minimum width=4.5em,
    minimum height=2em,
    font=color{white}ttfamily,
    text height=1.5ex,
    text depth=.25ex,
    label={[black]above:#1},
  },
  box 1/.style = {box=#1, fill=orange},
  box 2/.style = {box=#1, fill=cyan},
  box 3/.style = {box=#1, fill=yellow!80!red},
  lower box/.style = {
    draw,
    [email protected],
    minimum height=2.5em,
    inner xsep=2pt,
    font=color{white}ttfamily
  },
  %% matrix
  matrix default/.style = {
    matrix of nodes
  },
  upper matrix/.style = {
    matrix default,
    column sep=15pt
  },
  lower matrix/.style = {
    matrix default,
    column sep=0pt,
    set color=Green3, % set default color before key "lower box" is passed
    nodes=lower box
  },
  %% arrow
  arrow/.style = {
    arrows={ -Triangle[angle=45:2.5pt 3] },
    line width=1pt
  },
  %% chain
  every on chain/.style = { 
    join=by arrow
  },
}
makeatother

值得一看的是

  • box/.style

     的部分，展示了設定「固定寬高的 node」常用的選項

  • arrow/.style

     的部分，展示了通過 arrows 選項指定箭頭樣式的方式

具體例子 2，edge 與 node 分離，tikz library

fit

pb代碼graph繪圖表_[LaTeX 繪圖] tikz 繪制流程圖，概述和兩個示例

本例中，值得一看的是

  • node 允許包含多行文本時，如何控制文本的最大寬度和對齊方式
  • 使用單獨的

    path

     指令，通過 edge 集中繪制帶箭頭的線（能簡化為

    graph

     ）
  • 使用 tikz library

    fit

     繪制「包含若幹個 node 的矩形」 ，避免使用具體坐标

其他技巧還涉及

  • 利用坐标運算，使得通過

    fit

    繪制的矩形，關于包含的 nodes 左右對稱

    （因為 edge 的 node label 偏向右側的緣故，如果矩形隻是 "fit" nodes 和 node labels，矩形看起來會偏右。）

  • 允許指定增加值，以「讓某個 node 更高和更寬一些」，免去記憶預設高寬，簡化輸入

示例源碼

見項目 muzimuzhi/latex-examples 中的檔案

  • tikz-example-flowchart1.*

     和

  • tikz-example-flowchart2.*

（注：不包含簡陋示例）

pb代碼graph繪圖表 python繪制貝塞爾曲線
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