Matlab與C混合編程

1、Matlab與C/C+混合編程接口及應(yīng)用 摘要：Matlab具有很強的數(shù)值計算和分析等能力,而C/C+是目前最為流行的高級程序設(shè)計語言,兩者互補結(jié)合的混合編程在科學(xué)研究和工程實踐中具有非常重要的意義。從Matlab調(diào)用C/C+代碼及C/C+調(diào)用m文件兩方面,深入地研究了它們之間混合編程的原理和實現(xiàn)機制,并且給出了具體條件下的混合編程方法和步驟。實驗表明,給出的Matlab與C/C+混合編程接口及應(yīng)用方法是有效、實用的。1引言Matlab是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)學(xué)軟件，具有強大的數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分析處理、系統(tǒng)分析、圖形顯示甚至符號運算等功能1。利用這一完整的數(shù)學(xué)平臺，用戶可以快速實現(xiàn)十分復(fù)雜的功能，

2、極大地提高工程分析計算的效率23。但與其他高級程序3相比，Matlab程序是一種解釋執(zhí)行程序，不用編譯等預(yù)處理，程序運行速度較慢4。C/C+語言是目前最為流行的高級程序設(shè)計語言之一5。它可對操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序以及硬件進行直接操作，用C/C+語言明顯優(yōu)于其它解釋型高級語言，一些大型應(yīng)用軟件如 Matlab 就是用C語言開發(fā)的。在工程實踐中，用戶經(jīng)常遇到Matlab與C/C+混合編程的問題。本文基于Matlab 6.5和VC6.0開發(fā)環(huán)境，在Windows平臺下就它們之間的混合編程問題進行深入研究并舉例說明。2 Matlab調(diào)用C/C+Matlab調(diào)用C/C+的方式主要有兩種：利用MEX技術(shù)和調(diào)用

3、C/C+動態(tài)連接庫。在Matlab與C/C+混合編程之前，必須先對Matlab的編譯應(yīng)用程序mex和編譯器mbuild進行正確的設(shè)置1：對Matlab編譯應(yīng)用程序mex的設(shè)置：Mex setup.對Matlab編譯器mbuild的設(shè)置：Mbuild setup.2.1調(diào)用C/C+的MEX文件MEX是Matlab Executable的縮寫，它是一種“可在Matlab中調(diào)用的C(或Fortran)語言衍生程序”6。MEX文件的使用極為方便，其調(diào)用方式與Matlab的內(nèi)建函數(shù)完全相同，只需在Matlab命令提示符下鍵入MEX文件名即可。一個C/C+的MEX源程序通常包括4個組成部分，其中前3個是必

4、須包含的內(nèi)容，第4個則根據(jù)所實現(xiàn)的功能靈活選用:(1)#include “mex.h”;(2)MEX文件的入口函數(shù)mexFunction, MEX文件導(dǎo)出名必須為mexFunction函數(shù);(3)mxArray;(4)API函數(shù)通過簡單的例子說明C/C+的MEX源程序編寫和調(diào)用過程:#include mex.hvoid timeSTwo(double y, double x) y0 = 2.0*x0; void mexFunction(int nlhs, mxArray * plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) double *x,*y; int mrows

5、, ncols;if( nrhs!=1) mexErrMsgTxt(One input required.);else if( nlhs1) mexErrMsgTxt(Too manyoutput arguments); mrows = mxGetM( prhs0 ); ncols = mxGetN(prhs0);if( !mxIsDouble(prhs0) | mxIsComplex( prhs0 ) | !( mrows =1 & ncols=1 ) ) mexErrMsgTxt( Input must be a noncomplex scalar double. );plhs0 = mx

6、CreateDoubleMatrix ( mrows, ncols, mxREAL );x = mxGetPr( prhs0 ); y = mxGetPr( plhs0 ); timestwo(y,x); 可在matlab中編譯，也可以直接在C+環(huán)境中編譯：1）.（在matlab中）用指令mex timestwo.c編譯此文件，然后在MATLAB命令行下調(diào)用生成的MEX文件即可。2). （在VC2008中）和一般c+一樣編譯后，就會產(chǎn)生dll，這樣可以直接在Matlab中用了，或者copy且更改后綴名.mexw32即可。（因為Matlab R2010b以后版本可能不支持調(diào)用dll為后綴的mex

7、文件了）2.2調(diào)用C/C+動態(tài)連接庫（即：一般普通的C程序dll沒有用mex的接口函數(shù)）Matlab提供對動態(tài)連接庫DLL文件的接口7。利用該接口，可在Matlab中調(diào)用動態(tài)連接庫導(dǎo)出的函數(shù)。Matlab對DLL的接口支持各種語言編寫的DLL文件。在調(diào)用DLL文件之前，需要準(zhǔn)備函數(shù)定義的頭文件。對于C/C+語言開發(fā)的DLL文件，可使用源程序中相應(yīng)的頭文件；而對于其他語言開發(fā)的DLL，則要手工準(zhǔn)備等效的C語言函數(shù)定義頭文件。在Matlab中利用動態(tài)連接庫接口技術(shù)通常需要完成以下4個步驟：(1)打開動態(tài)連接庫文件；(2)為調(diào)用函數(shù)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)；(3)調(diào)用動態(tài)連接庫文件中導(dǎo)出的函數(shù)；(4)關(guān)閉動態(tài)連接庫

8、文件。為了實現(xiàn)以上步驟，用到的Matlab函數(shù)有：loadlibrary, loadlibrary, calllib, libfunctions, lipointer, libstruct, libisloaded。下面舉例說明Matlab調(diào)用C/C+動態(tài)連接庫的方法和步驟：a.在VC環(huán)境下，新建工程-win32動態(tài)連接庫-工程名Test1-empty工程-完成；b.新建-C+源文件-添加a.cpp,內(nèi)容為:#include a.h_declspec(dllexport) int add(int a, int b) return a+b; c.新建-C/C+頭文件-添加a.h，內(nèi)容為： _de

9、clspec(dllexport) int add(int a,intb); 然后編譯生成Test1.dll動態(tài)連接庫文件，將Test1.dll和a.h拷到Matlab 工作目錄下。d.在Matlab命令行下，調(diào)用Test.dll：loadlibrary(Test1,a.h); x=7;y=8; calllib(Test1,add,x,y); Ans=15 unloadlibrary(Test1).調(diào)用DLL動態(tài)連接庫的方法，為Matlab重用工程實踐中積累的大量實用C/C+代碼提供了一種簡潔方便的方法。與調(diào)用MEX文件相比，該方法更加簡便實用。但是這個接口之支持C，不支持C+庫和函數(shù)的重載，

10、這種情況下，推薦用MEX-file，若實在要用這種方法（調(diào)用C/C+動態(tài)連接庫），則對于C+要做一些更改，詳見http:/www.mathworks.de/help/techdoc/matlab_external/f43202.html#bq_4nu-1，3 C/C+調(diào)用Matlab在工程實踐中，C/C+調(diào)用Matlab的方法主要有調(diào)用Matlab計算引擎、包含m文件轉(zhuǎn)換的C/C+文件，以及調(diào)用m文件生成的DLL文件。3.1利用Matlab計算引擎Matlab的引擎庫為用戶提供了一些接口函數(shù)，利用這些接口函數(shù)，用戶在自己的程序中以計算引擎方式調(diào)用Matlab文件。該方法采用客戶機/服務(wù)器的方式

11、，利用Matlab引擎將Matlab和C/C+聯(lián)系起來。在實際應(yīng)用中，C/C+程序為客戶機，Matlab作為本地服務(wù)器。C/C+程序向Matlab計算引擎?zhèn)鬟f命令和數(shù)據(jù)信息，并從Matlab計算引擎接收數(shù)據(jù)信息2。Matlab提供了以下幾個C語言計算引擎訪問函數(shù)供用戶使用8：engOpen，engClose， engGetVariable，engPutVariable，engEvalString，engOutputBuffer，engOpenSingleUse， engGetVisible，engSetVisible。下面以C語言編寫的、調(diào)用Matlab引擎計算方程x3 ?2x+5=0根的源程

12、序example2.c為例，說明C/C+調(diào)用Matlab計算引擎編程的原理和步驟：#include #include #include #include engine.hint PASCAL WinMain (HANDLE hInstance, HANDLE hPrevInstance, LPSTR lpszCmdLine, int nCmdShow ) Engine *ep; mxArray *P=NULL,*r=NULL; char buffer301; double poly4 = 1,0,-2,5 ; if ( !(ep =engOpen(NULL) ) ) fprintf( stde

13、rr,nCant start MATLAB enginen ); return EXIT_FAILURE; P = mxCreateDoubleMatrix( 1, 4, mxREAL); mxSetClassName( P, p ); memcpy( ( char * ) mxGetPr( P ), (char *) poly, 4*sizeof(double) ); engPutVariable( ep, P ); engOutputBuffer( ep, buffer, 300 ); engEvalString( ep, disp(多項式,poly2str(p,x),的根),r=root

14、s(p) ); MESSageBox(NULL,buffer,example2展示MATLAB引擎的應(yīng)用,MB_OK); engClose( ep ); mxDestroyArray( P ); return EXIT_SUCCESS;在Matlab下運行example2.exe: mex -f example2.c。運行結(jié)果如圖1所示： 利用計算引擎調(diào)用Matlab的特點是：節(jié)省大量的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序整體性能較好，但不能脫離Matlab的環(huán)境運行，且運行速度較慢，但在一些特別的應(yīng)用9（例如需要進行三維圖形顯示）時可考慮使用。3.2利用mcc編譯器生成的cpp 和hpp文件Matlab自帶的

15、C+Complier-mcc，能將m文件轉(zhuǎn)換為C/C+代碼。因此，它為C/C+程序調(diào)用m文件提供了另一種便捷的方法。下面舉例說明相應(yīng)步驟：a.新建example3.m： function y=exmaple3(n) y=0; for i=1:n y=y+i; end保存后在命令窗口中輸入：mcc -t -L Cpp -h example3.則在工作目錄下生成example3.cpp和example3.hpp兩個文件。b.在VC中新建一個基于對話框的MFC應(yīng)用程序Test2，添加一個按鈕，并添加按鈕響應(yīng)函數(shù)，函數(shù)內(nèi)容見f步。將上面生成的兩個文件拷貝到VC工程的Test2目錄下。c.在VC中選擇：

16、工程-設(shè)置，選擇屬性表Link選項，下拉菜單中選擇Input，在對象 / 庫模塊中加入lIBMmfile.lib libmatlb.lib libmx.lib libmat.lib libmatpm.lib sgl.lib libmwsglm.lib libmwservices.lib，（后三個為使用Matlab圖形庫時，需加入）注意用空格分開；而在忽略庫中加入 msvcrt.lib；d.選擇屬性表C/C+選項，下拉菜單選General，在預(yù)處理程序定義中保留原來有的內(nèi)容，并添加MSVC,IBMPC,MSWIND，并用逗號隔開。選擇下拉菜單的Precompiled Headers 選項，在“自

17、動使用預(yù)補償頁眉”中添加stdafx.h，然后確定。e.選擇:工具- 選項，屬性頁選擇“目錄”，在include files加入： C:MATLAB6p5p1externinclude， C:MATLAB6p5p1externincludecpp；然后在 Library files里面加入： C:MATLAB6p5p1binwin32， C:MATLAB6p5p1extern libwin32microsoftmsvc60；注意根據(jù)用戶的Matlab安裝位置，修改相應(yīng)目錄。f.在響應(yīng)函數(shù)中添加頭文件：#include matlab.hpp #include example3.hpp函數(shù)響應(yīng)代碼

18、為：int i; mwArray n; n=10; n=example3(n); i=n.ExtractScalar(1);CString str; str.Format( example3的返回值是:%d, I ); AfxMessageBox( str );g.編譯，連接，執(zhí)行，結(jié)果如圖2所示。 3.3利用mcc編譯器生成的DLL 文件Matlab的C+ Complier不僅能夠?qū)atlab的m文件轉(zhuǎn)換為C/C+的源代碼，還能產(chǎn)生完全脫離Matlab運行環(huán)境的獨立可執(zhí)行DLL程序。從而可以在C/C+程序中，通過調(diào)用DLL實現(xiàn)對 Matlab代碼的調(diào)用。下面通過一個簡單的例子說明C/C+調(diào)

19、用m文件生成的DLL：a.建立m文件example4.m： function result = example4(para)x=1 para 3; y=1 3 1; plot( x,y ); result=para*2; end.然后在命令窗口中輸入：mcc -t -W libhg: example4 -T link: lib -h libmmfile.mlib libmwsglm.mlib example4則在工作目錄下會生成example4 .dll、example4 .lib和example4 .h三個文件。b.在VC中新建一個基于對話框的應(yīng)用程序Test3，然后添加一個按鈕及按鈕響應(yīng)函

20、數(shù)，函數(shù)內(nèi)容見d步，再將生成的3個文件拷貝到Test2工程目錄下。c.VC編譯環(huán)境的設(shè)置如同3.2節(jié)c、d步；d.在按鈕函數(shù)文件添加如下的頭文件：#include example4 .h，函數(shù)響應(yīng)代碼為：mxArray*para=mxCreateDoubleScalar(2); mxArray* result; example4Initialize();result =mlfExample4(para); CString str;str.Format( %f,mxGetScalar(result) ); AfxMessageBox(str);e.編譯，連接，執(zhí)行，結(jié)果如圖3所示。 利用mcc編

21、譯器生成的DLL動態(tài)連接庫文件，只需在C/C+編譯環(huán)境中將其包含進來，調(diào)用導(dǎo)出函數(shù)即可實現(xiàn)原m文件的功能，極大地方便了用戶的代碼設(shè)計。4結(jié)束語本文從Matlab調(diào)用C/C+代碼和C/C+調(diào)用m文件兩方面，詳細(xì)地研究了Matlab與C/C+混合編程技術(shù)。對于Matlab調(diào)用C/C+代碼，給出了常用的MEX技術(shù)和調(diào)用C/C+動態(tài)連接庫的方法，并對它們進行比較。針對用戶在實際中經(jīng)常遇到的C/C+調(diào)用Matlab問題，通過研究給出了常用的三種方法及其特點：利用Matlab計算引擎的方法，混合編程后的可執(zhí)行程序脫離不了Matlab的運行環(huán)境，運行速度很慢；利用mcc編譯器將m文件轉(zhuǎn)化為C/C+文件的方法

22、，雖然能獨立于Matlab運行環(huán)境，可在C/C+環(huán)境中包含生成的文件非常繁瑣；但是m文件生成的DLL為用戶提供了一種簡潔方便的C/C+調(diào)用Matlab代碼的方法。除 Matlab自帶的mcc外，Matcom 也能將M文件編譯為C/C+文件和DLL文件28，但混合編程原理一樣，在此省略。 MATLAB與C/C+混合編程之MATLAB調(diào)用C程序2007-11-25 15:28 12073人閱讀評論(13)收藏舉報通過把耗時長的函數(shù)用c語言實現(xiàn)，并編譯成mex函數(shù)可以加快執(zhí)行速度。Matlab本身是不帶c語言的編譯器的，所以要求你的機器上已經(jīng)安裝有VC,BC或Watcom C中的一種。如果你在安裝M

23、atlab時已經(jīng)設(shè)置過編譯器，那么現(xiàn)在你應(yīng)該就可以使用mex命令來編譯c語言的程序了。如果當(dāng)時沒有選，就在Matlab里鍵入mex -setup，下面只要根據(jù)提示一步步設(shè)置就可以了。需要注意的是，較低版本的在設(shè)置編譯器路徑時，只能使用路徑名稱的8字符形式。比如我用的VC裝在路徑C:/PROGRAM FILES/DEVSTUDIO下，那在設(shè)置路徑時就要寫成：“C:/PROGRA1”這樣設(shè)置完之后，mex就可以執(zhí)行了。為了測試你的路徑設(shè)置正確與否，把下面的程序存為hello.c。/*hello.c*/#include mex.h void mexFunction(int nlhs, mxArray

24、 *plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) mexPrintf(hello,world!/n); 假設(shè)你把hello.c放在了C:/TEST/下，在Matlab里用CD C:/TEST/ 將當(dāng)前目錄改為C:/ TEST/（注意，僅將C:/TEST/加入搜索路徑是沒有用的）?，F(xiàn)在敲：mex hello.c 如果一切順利，編譯應(yīng)該在出現(xiàn)編譯器提示信息后正常退出。如果你已將C:/TEST/加入了搜索路徑，現(xiàn)在鍵入hello，程序會在屏幕上打出一行：hello,world! 看看C/TEST/目錄下，你會發(fā)現(xiàn)多了一個文件：HELLO.DLL。這樣，第一個mex函數(shù)就算

25、完成了。分析hello.c，可以看到程序的結(jié)構(gòu)是十分簡單的，整個程序由一個接口子過程 mexFunction構(gòu)成。void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) 前面提到過，Matlab的mex函數(shù)有一定的接口規(guī)范，就是指這nlhs：輸出參數(shù)數(shù)目 plhs：指向輸出參數(shù)的指針 nrhs：輸入?yún)?shù)數(shù)目 例如，使用a,b=test(c,d,e)調(diào)用mex函數(shù)test時，傳給test的這四個參數(shù)分別是 2，plhs，3，prhs其中： prhs0=c prhs1=d prhs2=e 當(dāng)函數(shù)返回時，將會把

26、你放在plhs0，plhs1里的地址賦給a和b，達到返回數(shù)據(jù)的目的。 細(xì)心的你也許已經(jīng)注意到，prhsi和plhsi都是指向類型mxArray類型數(shù)據(jù)的指針。 這個類型是在mex.h中定義的，事實上，在Matlab里大多數(shù)數(shù)據(jù)都是以這種類型存在。當(dāng)然還有其他的數(shù)據(jù)類型，可以參考Apiguide.pdf里的介紹。 為了讓大家能更直觀地了解參數(shù)傳遞的過程，我們把hello.c改寫一下，使它能根據(jù)輸 入?yún)?shù)的變化給出不同的屏幕輸出：/hello.c 2.0 #include mex.h void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs, int nrhs, const

27、 mxArray *prhs) int i; i=mxGetScalar(prhs0); if(i=1) mexPrintf(hello,world!/n); else mexPrintf(大家好！/n); 將這個程序編譯通過后，執(zhí)行hello(1),屏幕上會打出： hello,world! 而hello(0)將會得到： 大家好！ 現(xiàn)在，程序hello已經(jīng)可以根據(jù)輸入?yún)?shù)來給出相應(yīng)的屏幕輸出。在這個程序里，除了用到了屏幕輸出函數(shù)mexPrintf（用法跟c里的printf函數(shù)幾乎完全一樣）外，還用到了一個函數(shù)：mxGetScalar，調(diào)用方式如下： i=mxGetScalar(prhs0);

28、Scalar就是標(biāo)量的意思。在Matlab里數(shù)據(jù)都是以數(shù)組的形式存在的，mxGetScalar的作用就是把通過prhs0傳遞進來的mxArray類型的指針指向的數(shù)據(jù)（標(biāo)量）賦給C程序里的變量。這個變量本來應(yīng)該是double類型的，通過強制類型轉(zhuǎn)換賦給了整形變量i。既然有標(biāo)量，顯然還應(yīng)該有矢量，否則矩陣就沒法傳了?？聪旅娴某绦颍?/hello.c 2.1 #include mex.h void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) int *i; i=mxGetPr(prhs0); if(i0=1)

29、 mexPrintf(hello,world!/n); else mexPrintf(大家好！/n); 這樣，就通過mxGetPr函數(shù)從指向mxArray類型數(shù)據(jù)的prhs0獲得了指向double類型的指針。但是，還有個問題，如果輸入的不是單個的數(shù)據(jù)，而是向量或矩陣，那該怎么處理呢 ？通過mxGetPr只能得到指向這個矩陣的指針，如果我們不知道這個矩陣的確切大小，就 沒法對它進行計算。 為了解決這個問題，Matlab提供了兩個函數(shù)mxGetM和mxGetN來獲得傳進來參數(shù)的行數(shù) 和列數(shù)。下面例程的功能很簡單，就是獲得輸入的矩陣，把它在屏幕上顯示出來： /show.c 1.0 #include

30、mex.h void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) double *data; int M,N; int i,j; data=mxGetPr(prhs0); /獲得指向矩陣的指針 M=mxGetM(prhs0); /獲得矩陣的行數(shù) N=mxGetN(prhs0); /獲得矩陣的列數(shù) for(i=0;iM;i+) for(j=0;jN;j+) mexPrintf(%4.3f ,dataj*M+i); mexPrintf(/n); 編譯完成后，用下面的命令測試一下： a=1:10; b=a;a

31、+1; show(a) show(b) 需要注意的是，在Matlab里，矩陣第一行是從1開始的，而在C語言中，第一行的序數(shù)為零，Matlab里的矩陣元素b(i,j)在傳遞到C中的一維數(shù)組大data后對應(yīng)于dataj*M+i 。 輸入數(shù)據(jù)是在函數(shù)調(diào)用之前已經(jīng)在Matlab里申請了內(nèi)存的，由于mex函數(shù)與Matlab共用同一個地址空間，因而在prhs里傳遞指針就可以達到參數(shù)傳遞的目的。但是，輸出參數(shù)卻需要在mex函數(shù)內(nèi)申請到內(nèi)存空間，才能將指針放在plhs中傳遞出去。由于返回指針類型必須是mxArray，所以Matlab專門提供了一個函數(shù)：mxCreateDoubleMatrix來實現(xiàn)內(nèi)存的申請，

32、函數(shù)原型如下： mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity ComplexFlag) m：待申請矩陣的行數(shù) n：待申請矩陣的列數(shù) 為矩陣申請內(nèi)存后，得到的是mxArray類型的指針，就可以放在plhs里傳遞回去了。但是對這個新矩陣的處理，卻要在函數(shù)內(nèi)完成，這時就需要用到前面介紹的mxGetPr。使用 mxGetPr獲得指向這個矩陣中數(shù)據(jù)區(qū)的指針（double類型）后，就可以對這個矩陣進行各種操作和運算了。下面的程序是在上面的show.c的基礎(chǔ)上稍作改變得到的，功能是將輸 /reverse.c 1.0 #include mex.h void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) double *inData; double *outData; int M,N; int i,j; inData=mxGetPr(prhs0); M=mxGetM(prhs0); N=mxGetN(prhs0); plhs0=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL); outData=mxGetPr(plhs0); for(i=0;iM;i+)