MATLAB调用C程序

uperrua · 发表于 2020-5-27 16:09

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x

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。

Matlab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Watcom 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，就在Matlab里键入mex -setup，下面只要根据提示一步步设置就可以了。

为了测试你的路径设置正确与否，把下面的程序存为hello.c。

?
/*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!

整个程序由一个接口子过程 mexFunction构成。
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
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。 * V& G! |0 H8 j( g8 Q$ @: `: l0 Y1 F

; h9 g" x/ K0 u- d , W7 J' E  ]# s; b6 r5 O- r8 a
, z( y- c4 I" v4 D7 U
//hello.c 2.0 1 L# w) [, O' o, ]
#include "mex.h" % b. @" ~+ F5 j& a8 P
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[]) 4 T6 ~# H( y( \6 S: H6 p# v
{
; o* o# x4 A4 V+ q/ m% [$ V6 k" Cint i; - L5 o/ z+ E" P& ^
i=mxGetScalar(prhs[0]); / U: {( ]) c+ F. B1 m. K
if(i==1) & q# L& n) r' J' Y
  mexPrintf("hello,world!/n"); 6 J3 X! ^" E/ e
else
1 B6 J. w& `- C  mexPrintf("大家好！/n"); ! I1 k  D- L/ X0 S' y1 C
}
7 s8 z2 d# N4 j5 F8 I: V5 e
5 [4 m( u  F/ Z! r# ?
$ w3 G8 W# P, ~将这个程序编译通过后，执行hello(1),屏幕上会打出： hello,world!
- E' o( k; {  A! P) w而hello(0)将会得到：大家好！5 L* g( k* ^# h$ b% v
$ X- p6 N1 M9 p
用到了一个函数：mxGetScalar，调用方式如下：
  Y$ L7 p7 [( A/ Q9 h6 m i=mxGetScalar(prhs[0]); ! d, s) g8 H8 k) D8 C
"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。
  s5 A1 e) `$ J7 l4 V6 N$ x7 S( w; M' ~6 B% s
; M: z, p2 c2 v4 l& j  ~8 f
# W8 L' E" p- S
//hello.c 2.1
5 O: y1 u9 d1 @: F7 R#include "mex.h" 9 d; N2 @# f7 `' m
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],
) h# z) `6 T$ z* T) u' }* yint nrhs, const mxArray *prhs[]) 2 x: E2 s6 N" }! k9 z9 H1 ~/ O
{
6 @9 m6 C5 ~: w$ v  \9 C% Jint *i; ) Y, b2 u3 L7 F: o, n: C! i
i=mxGetPr(prhs[0]);
# A- E3 S& W+ h) O+ oif(i[0]==1)
8 ~3 F$ r- d( b) D" z" B8 y4 f; O  mexPrintf("hello,world!/n"); # Y% L' D' Y; F
else   G# @) x0 i7 s  @. A
  mexPrintf("大家好！/n"); $ K/ t9 |5 @- E, H- M+ G0 i
}
8 I7 q$ S' a6 ]$ \# S- g1 s) Q" J8 ^1 g; v

' h9 f/ [3 ]7 D1 g4 [! o9 G3 Q/ T6 M( t# H5 g- [
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。
* n/ X0 k5 ^& d1 b, z6 o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
0 N2 o* t! r$ e# M, o0 w! N$ [没法对它进行计算。
8 ?  i. q$ B7 q0 v2 V3 C1 @& _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： 3 a9 l- w4 x: @! t" o: x
  Q. k! M" p1 A  y$ n: X0 L

- _9 V2 o, k) A& K* A) Y. d: X//show.c 1.0
: P$ N' Q$ n- j9 k: f#include "mex.h"
: I# `' d/ a9 V/ t#include "mex.h"
9 Z, T9 h, H0 v5 j. E, Y+ x2 H$ Evoid mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[]) , S0 Y: q5 v4 r+ B9 U( }$ ^1 Q( M
{ ( e5 a' O0 }4 M3 F1 D# K
double *data;
& Q  m2 K8 U8 w0 P" ~% wint M,N; - m6 X$ f! Q  f) U  R- U+ o
int i,j; $ Y& f1 ?& u* m. Z
data=mxGetPr(prhs[0]); //获得指向矩阵的指针 - d) J& _3 u2 S3 }, Z
M=mxGetM(prhs[0]); //获得矩阵的行数
8 z4 y2 C# ]0 u. WN=mxGetN(prhs[0]); //获得矩阵的列数
) o# `( i1 m: C0 o( h# ^for(i=0;i<M;i++) 6 K) i, i1 z" ^
{ for(j=0;j<N;j++) ; a1 b4 ~5 {9 Y( T* b
   mexPrintf("%4.3f  ",data[j*M+i]);
% I. s2 E, x" ^1 F4 j9 C    mexPrintf("/n"); & z: [4 B% u# l8 @! n5 _9 \
  }
. k  D1 V$ G& C6 a}
( [9 w5 x: z6 o/ {
# g  w; J3 f/ a/ r - ]* l5 |' ]$ W! U" U
/ r" `4 F, V$ f' j4 |8 y
编译完成后，用下面的命令测试一下：
$ ~+ u, I) Y  H0 M) E2 a  a=1:10; . V, E  h$ U& V* X
  b=[a;a+1]; 5 N; J" D( H$ d9 k
  show(a)
, c- H. L3 i4 I4 R6 [  show(b)
- P( C( Y1 b) a! e8 x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] 。
, {! M& k; T2 X6 W% a0 V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：
9 m: Y7 q! G. R: H: G9 C9 {6 u mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity ComplexFlag)
7 F8 S" E% ?4 t. s7 }* t: {2 i m：待申请矩阵的行数 + F! H, k  m( k
n：待申请矩阵的列数 4 W& G* a9 o  \' v
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  5 n- ]' o/ m- J2 c: d1 |8 t

' X9 Y7 W. m, s3 Y/ \1 v
: \6 z* b9 @9 I  P0 f; A& Q: ~
; O: N* M/ _& x! X( I- Q* B
) [$ G) |. y- G, O8 `0 ~: W+ G6 S7 g//reverse.c 1.0
! M: h# V5 `0 U( S3 O9 I$ k#include "mex.h"
+ g/ Y' C; X* G; {2 {: Q3 {/ K5 ^. }void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],
# `/ M* C# ^/ A- c+ G+ G% k int nrhs, const mxArray *prhs[])
$ O: q& ?' U1 U2 c* A' N{ ; e" w. R1 x. A& Z
double *inData; 5 \$ M5 l- M' K3 y
double *outData;
& p; B% T9 ?& hint M,N;
6 B+ o0 z/ ^2 u9 V& X( @' Z% d: x) dint i,j; 1 |5 z$ y" `; }& c; A1 a6 _: c* a( q
inData=mxGetPr(prhs[0]); ' p' @  u1 E' }, m. @
M=mxGetM(prhs[0]);
! m% H) h( L% U* E. }. WN=mxGetN(prhs[0]);
& j+ E% z# p: R$ Bplhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL);
  B: v% W( m$ u& [outData=mxGetPr(plhs[0]);
& p7 M9 i! R( e: Jfor(i=0;i<M;i++) 5 H# A1 a) U, C" R$ i0 V
  for(j=0;j<N;j++)
8 f  P, H3 q0 m# P2 T- U outData[j*M+i]=inData[(N-1-j)*M+i];
; K. c* [( ^2 D& j8 U}
# M2 ~0 |& d  `/ i+ J$ ~: F; @# U  M$ m1 j* \

, ?# l1 Y5 ]9 A# N2 l  @. p7 U7 t7 f1 r" a* I# E" q
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。
4 Q7 ]5 v2 E% C6 A/ d4 N6 A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差，以下程序则容错性较好1 H' r+ C9 q9 X* H* Z* {
! G7 e" K- w$ g% j

0 ?! u4 N, [& {1 {% u3 w) q#include "mex.h"
, v( i2 c* R; b6 w1 t, f7 Vvoid mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],  int nrhs, const mxArray *prhs[]) ( P+ w7 w  Z0 I9 q7 @
{
" w3 U* w* n6 sdouble *inData; " H1 f& ?. l8 X% f9 P1 _6 O5 B+ @
double *outData; / A8 E! }" X% X& x
int M,N;
! g# N% I# B7 v2 M7 J0 O1 ?//异常处理 9 ^5 L* }( Q6 P4 m* g% b
//异常处理
& u# R& C1 ]* \; w$ ~if(nrhs!=1)
; V+ [( {8 C$ n* _: c: Y mexErrMsgTxt("USAGE: b=reverse(a)/n");
  `3 K9 r7 O3 i$ D* }0 q1 m  if(!mxIsDouble(prhs[0])) 1 p) V* y- d- ^, z  ]: C: Y
mexErrMsgTxt("the Input Matrix must be double!/n");
- u( M' D' r- H5 f inData=mxGetPr(prhs[0]); / |# Y& d4 B. Z4 P6 s3 x8 t
M=mxGetM(prhs[0]);
+ g# {  p& e; F2 U7 _ N=mxGetN(prhs[0]); . I0 {& q4 i; K" W! o: [
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL); 3 F& _' b5 j+ t5 h  j' K/ h( P+ O
outData=mxGetPr(plhs[0]);
9 Y6 H8 ?0 u4 c  p% z for(i=0;i<M;i++)
2 I! o1 m3 [2 x6 y6 Y- g' P, a: A    for(j=0;j<N;j++) * T3 U5 T: \' a% W6 m
   outData[j*M+i]=inData[(N-1-j)*M+i]; 7 ?* M% S: \. b3 t4 l' m/ ^# }$ }' t
  } , K! T: D  A: W

$ j8 _& B1 l2 _, A2 Q/ N# b" v ) B" V. x. t) k' I2 o( b
; s: N9 J. |6 q) L
在上面的异常处理中，使用了两个新的函数：mexErrMsgTxt和mxIsDouble。MexErrMsgTxt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。
/ m8 F( C" d, O5 t5 T% q* e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。* y+ n$ t- a2 d. K  V. E' v
至此为止，使用C编写mex函数的基本过程已经介绍完了。 " ?6 W. J4 V5 D( G# U$ j

! D- P$ z  n+ A- p

regngfpcb · 发表于 2020-5-27 17:04

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