Matlab與C/C++混合編程接口及應(yīng)用方法

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(qiáng)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(yùn)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(shí)現(xiàn)十分 復(fù)雜的功能，極大地提高工程分析計算的效率[2][3]。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(yùn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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個是必須包含的內(nèi)容，第4個則根據(jù)所實(shí)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.h
void timeSTwo(double y[], double x[])
{ y[0] = 2.0*x[0]; }
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],int nrhs, const mxArray *prhs[] )
{ double *x,*y; int mrows,ncols;
if(nrhs!=1) mexErrMsgTxt(One input required.);
else if(nlhs>1) mexErrMsgTxt(Too many output arguments);
mrows = mxGetM(prhs[0]);ncols = mxGetN(prhs[0]);
if( !mxIsDouble(prhs[0])||mxIsComplex(prhs[0])||!(mrows==1 ncols==1))
mexErrMsgTxt(Input must be a noncomplex scalar double.);
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(mrows,ncols, mxREAL);
x=mxGetPr(prhs[0]); y=mxGetPr(plhs[0]); timestwo(y,x); }
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。

2.2 調(diào)用C/C++動態(tài)連接庫

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)連接庫文件。

為了實(shí)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： _declspec(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(shí)踐中積累的大量實(shí)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(shí)用。

3 C/C++調(diào)用Matlab

在工程實(shí)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(jī)/服務(wù)器的方式，利用Matlab 引擎 將Matlab 和C/C++聯(lián)系起來。在實(shí)際應(yīng)用中，C/C++程序?yàn)榭蛻魴C(jī)，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 windows.h> #include stdlib.h>
#include stdio.h> #include engine.h
int PASCAL WinMain (HANDLE hInstance, HANDLE hPrevInstance,
LPSTR lpszCmdLine, int nCmdShow)
{ Engine *ep; mxArray *P=NULL,*r=NULL;
char buffer[301]; double poly[4]={1,0,-2,5};
if (!(ep=engOpen(NULL)))
{fprintf(stderr,nCan't 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=roots(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(yùn)行example2.exe: mex -f example2.c。運(yùn)行結(jié)果如圖1 所示：

利用計算引擎調(diào)用Matlab的特點(diǎn)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(yùn)行，且運(yùn)行速度較慢，但在一些特別的應(yīng)用[9]（例如需要進(jìn)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：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 ， 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“自動使用預(yù)補(bǔ)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(yùn)行環(huán)境的獨(dú)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(shí)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)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(jìn)來， 調(diào)用導(dǎo)出函數(shù)即可實(shí)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(jìn)行比較。針對用戶在實(shí)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(diǎn)：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(yùn)行環(huán)境，運(yùn)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，雖然能獨(dú)立于Matlab 運(yùn)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[2][8]，但混合編程 原理一樣，在此省略。