matlab与C语言混合编程

mutougeda · 发表于 2021-2-7 09:57

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用C编写mex程序
  大家都知道，matlab是一种解释型的编程环境，也就是说，跟以前的basic一样，是读
一句执行一句的。这样做可以很方便的实现编程过程中的交互，也免去了麻烦又耗时的
编译过程。但凡事有一利必有一弊，matlab在执行时速度慢也就根源于此。在matlab里
  tic
  for i=1:10000
  b(i)=a(10001-i);
  end
  怎么样，是不是很慢？
  你的程序里如果再多几个这样的循环，运行速度就可想而知了。
  上面程序的功能是将向量a里的数据逆序赋给向量b。下面的程序可以实现相同的功能
  tic
  b=a(10000:-1:1);
  为什么这个程序运行速度就这么快呢？这是因为matlab里的基础矩阵运算函数，像转
置，复制等等，都是以二进制程序的形式存在的，运行起来速度当然比解释执行10000次
  所以编matlab程序时，应该尽量避免用循环语句，而使用等效的矩阵运算。虽然这样
  但总是有的时候没法找到对应的矩阵运算来等效，或编出来的程序复杂得让人没法修
  简单地说，mex程序就是根据一定的接口规范（mtlab提出的）编写的一个dll，matla
比如我编了一个mex函数，名字叫max2.dll，那么只要把这个dll所在的目录加到matlab
的搜索路径里（用addpath），就可以像调用普通matlab函数一样来调用它了。因为把

循环体放到了二进制程序中，执行速度快得多。

  Mex文件既可以用c，也可以用fortran来编。因为我用的是c语言，所以下面的介绍都

是用c语言编写mex文件的方法。如果你用的是fortran，请你自己去看Apiguide.pdf，里

面有详细说明。

前面说到通过把耗时长的函数用c语言实现，并编译成mex函数可以加快执行速度。这
  Matlab5.1本身是不带c语言的编译器的，所以要求你的机器上已经安装有VC,BC或Wat
com C中的一种。如果你在安装Matlab时已经设置过编译器，那么现在你应该就可以使用
mex命令来编译c语言的程序了。如果当时没有选，只要在Matlab里键入 mex -setup
，就会出现一个DOS方式窗口，下面只要根据提示一步步设置就可以了。由于我用的是w
  听说Matlab5.2已经内置了C语言的编译器，那么下面的这些可能就用不着了。可惜现
  需要注意的是，在设置编译器路径时，只能使用路径名称的8字符形式。比如我用的V
C5装在路径 C:\PROGRAM FILES\DEVSTUDIO下，那在设置路径时就要写成：C:\PROGRA~1
  这样设置完之后，mex就可以执行了。为了测试你的路径设置正确与否，把下面的程序
存为hello.c。

#include "mex.h"

void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])

{

mexPrintf("hello,world!\n");

}

  假设你把hello.c放在了C:\TEST\下，在Matlab里用CD C:\TEST\ 将当前目录改为C:\

TEST\（注意，仅将C:\TEST\加入搜索路径是没有用的）。现在敲：

  mex hello.c

  如果一切顺利，编译应该在出现编译器提示信息后正常退出。如果你已将C:\TEST\加

入了搜索路径，现在键入hello，程序会在屏幕上打出一行：

hello,world!

  看看C\TEST\目录下，你会发现多了一个文件：HELLO.DLL。

  这样，第一个mex函数就算完成了。怎么样，很简单吧。下一次，会对这个最简单的程

序进行分析，并给它增加一些功能。
分析hello.c，可以看到程序的结构是十分简单的，整个程序由一个接口子过程
mexFunction构成。前面提到过，Matlab的mex函数有一定的接口规范，就是指这
nlhs：输出参数数目
plhs：指向输出参数的指针
nrhs：输入参数数目
例如，使用 [a,b]=test(c,d,e) 调用mex函数test时，传给test的这四个参数分别是2，
plhs，3，prhs。其中：
prhs[0]=c

prhs[1]=d

prhs[2]=e

当函数返回时，将会把你放在plhs[0]，plhs[1]里的地址赋给a和b，达到返回数据的目

的。

  细心的你也许已经注意到，prhs和plhs都是指向类型mxArray类型数据的指针。

这个类型是在mex.h中定义的，事实上，在Matlab里大多数数据都是以这种类型存在。当

然还有其他的数据类型，可以参考Apiguide.pdf里的介绍。

  为了让大家能更直观地了解参数传递的过程，我们把hello.c改写一下，使它能根据输

入参数的变化给出不同的屏幕输出：

//hello.c 2.0

#include "mex.h"

void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])

{

int i;

i=mxGetScalar(prhs[0]);

if(i==1)

  mexPrintf("hello,world!\n");

else

  mexPrintf("大家好！\n");

}

  将这个程序编译通过后，执行hello(1),屏幕上会打出：

hello,world!

  而hello(0)将会得到：

大家好！

现在，程序hello已经可以根据输入参数来给出相应的屏幕输出。在这个程序里，除了用

到了屏幕输出函数mexPrintf（用法跟c里的printf函数几乎完全一样）外，还用到了一

个函数：mxGetScalar，调用方式如下：

i=mxGetScalar(prhs[0]);

  "Scalar"就是标量的意思。在Matlab里数据都是以数组的形式存在的，mxGetScalar的

作用就是把通过prhs[0]传递进来的mxArray类型的指针指向的数据（标量）赋给C程序里

的变量。这个变量本来应该是double类型的，通过强制类型转换赋给了整形变量i。

  既然有标量，显然还应该有矢量，否则矩阵就没法传了。看下面的程序：

//hello.c 2.1

#include "mex.h"

void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],

   int nrhs, const mxArray *prhs[])

{

int *i;

i=mxGetPr(prhs[0]);

if(i[0]==1)

  mexPrintf("hello,world!\n");

else

  mexPrintf("大家好！\n");

}

  这样，就通过mxGetPr函数从指向mxArray类型数据的prhs[0]获得了指向double类型的

指针。

  但是，还有个问题，如果输入的不是单个的数据，而是向量或矩阵，那该怎么处理呢

？通过mxGetPr只能得到指向这个矩阵的指针，如果我们不知道这个矩阵的确切大小，就

没法对它进行计算。

  为了解决这个问题，Matlab提供了两个函数mxGetM和mxGetN来获得传进来参数的行数

和列数。下面例程的功能很简单，就是获得输入的矩阵，把它在屏幕上显示出来：

//show.c 1.0

#include "mex.h"

void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])

{

double *data;

int M,N;

int i,j;

data=mxGetPr(prhs[0]); //获得指向矩阵的指针

M=mxGetM(prhs[0]); //获得矩阵的行数

N=mxGetN(prhs[0]); //获得矩阵的列数

for(i=0;i<M;i++)

{

  for(j=0;j<N;j++)

mexPrintf("%4.3f  ",data[j*M+i]);

  mexPrintf("\n");

}

}

  编译完成后，用下面的命令测试一下：

  a=1:10;

  b=[a;a+1];

  show(a)

  show(b)

  需要注意的是，在Matlab里，矩阵第一行是从1开始的，而在C语言中，第一行的序数

为零，Matlab里的矩阵元素b(i,j)在传递到C中的一维数组大data后对应于data[j*M+i]

。

输入数据是在函数调用之前已经在Matlab里申请了内存的，由于mex函数与Matlab共用同
一个地址空间，因而在prhs[]里传递指针就可以达到参数传递的目的。但是，输出参数
却需要在mex函数内申请到内存空间，才能将指针放在plhs[]中传递出去。由于返回指针
类型必须是mxArray，所以Matlab专门提供了一个函数：mxCreateDoubleMatrix来实现内
存的申请，函数原型如下：
mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity ComplexFlag)
m：待申请矩阵的行数
n：待申请矩阵的列数
为矩阵申请内存后，得到的是mxArray类型的指针，就可以放在plhs[]里传递回去了。但
是对这个新矩阵的处理，却要在函数内完成，这时就需要用到前面介绍的mxGetPr。使用
mxGetPr获得指向这个矩阵中数据区的指针（double类型）后，就可以对这个矩阵进行各
种操作和运算了。下面的程序是在上面的show.c的基础上稍作改变得到的，功能是将输

//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(prhs[0]);

M=mxGetM(prhs[0]);

N=mxGetN(prhs[0]);

plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL);

outData=mxGetPr(plhs[0]);

for(i=0;i<M;i++)

  for(j=0;j<N;j++)

outData[j*M+i]=inData[(N-1-j)*M+i];

}

当然，Matlab里使用到的并不是只有double类型这一种矩阵，还有字符串类型、稀疏矩

阵、结构类型矩阵等等，并提供了相应的处理函数。本文用到编制mex程序中最经常遇到

的一些函数，其余的详细情况清参考Apiref.pdf。
通过前面两部分的介绍，大家对参数的输入和输出方法应该有了基本的了解。具备了这
些知识，就能够满足一般的编程需要了。但这些程序还有些小的缺陷，以前面介绍的re
由于前面的例程中没有对输入、输出参数的数目及类型进行检查，导致程序的容错性很
#include "mex.h"
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],
   int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
double *inData;
double *outData;
int M,N;
//异常处理
if(nrhs!=1)

  mexErrMsgTxt("USAGE: b=reverse(a)\n");

if(!mxIsDouble(prhs[0]))

  mexErrMsgTxt("the Input Matrix must be double!\n");

inData=mxGetPr(prhs[0]);

M=mxGetM(prhs[0]);

N=mxGetN(prhs[0]);

plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL);

outData=mxGetPr(plhs[0]);

for(i=0;i<M;i++)

  for(j=0;j<N;j++)

outData[j*M+i]=inData[(N-1-j)*M+i];

}

在上面的异常处理中，使用了两个新的函数：mexErrMsgTxt和mxIsDouble。MexErrMsgT

xt在给出出错提示的同时退出当前程序的运行。MxIsDouble则用于判断mxArray中的数据

是否double类型。当然Matlab还提供了许多用于判断其他数据类型的函数，这里不加详

述。

需要说明的是，Matlab提供的API中，函数前缀有mex-和mx-两种。带mx-前缀的大多是对

mxArray数据进行操作的函数，如mxIsDouble,mxCreateDoubleMatrix等等。而带mx前缀

的则大多是与Matlab环境进行交互的函数，如mexPrintf，mxErrMsgTxt等等。了解了这

一点，对在Apiref.pdf中查找所需的函数很有帮助。

至此为止，使用C编写mex函数的基本过程已经介绍完了。下面会在介绍几个非常有用的

函数调用。如果有足够的时间，也许还会有一个更复杂一些的例程。

我们之所以使用Matlab，很重要的考虑是Matlab提供了相当丰富的矩阵运算函数和各
种toolbox。在编制mex函数时，有时我们也会遇到一些操作，在Matlab下，只需要一个
为了在mex函数里调用Matlab命令，我们就需要用到一个函数mexCallMATLAB，原型如下：
int mexCallMATLAB(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, mxArray *prhs[],
               const char *command_name);
有了前面的基础，使用这个函数就显得十分容易了。下面给出一个例程，功能是将输入
#include "mex.h"
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],
   int nrhs, const mxArray *prhs[])
{

double *inData;

mxArray *IN[1];

mxArray *OUT[1];

double *outData;

int M,N;

int i,j;

//异常处理

if(nrhs!=1)

  mexErrMsgTxt("USAGE: b=rot(a)\n");

if(!mxIsDouble(prhs[0]))

  mexErrMsgTxt("the Input Matrix must be double!\n");

//计算转置

if(mexCallMATLAB(1,OUT,1,prhs,"'"))

  mexErrMsgTxt("Error when compute!\n");

//根据输入参数数目决定是否显示

if(nlhs==0)

  mexCallMATLAB(0,IN,1,OUT,"disp");

else

  plhs[0]=OUT[0];

}

regngfpcb · 发表于 2021-2-7 10:53

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