初步研究一下C/C++与Matlab混合编程

ulppknot

Matlab 拥有丰富的功能，编程简单。不过，有些情况下，Matlab程序的执行速度比较慢。C/C++编译执行的程序速度比较快，编程难度上比Matlab要高一些。因此存在一种方案，就是使用Matlab实现我们的实验程序，用C/C++来实现Matlab程序中比较耗时的部分，从Matlab程序中调用C/C++的程序以实现加速。
. r( n. O( ~0 i& U3 f8 `+ B
! z+ H( ?. d- [# S/ L! G0 _     本文主要讲解如何在Matlab中调用C/C++的程序，以及如何编写可供Matlab程序调用的C/C++程序。
# |7 i( c& l: B/ @8 S# H4 k, Q
     本文主要分以下几部分：
5 H! z; @# j8 @: D
6 k  L# e) E* r, l2 V     Hello Matlab，用一个简单的例子来说明如何在Matlab中调用C/C++的程序，以及可供Matlab调用的C/C++程序应该注意哪些基本事项。

5 m- d* a; Q) G  p, F4 A6 ?5 |8 H     Matlab调用C/C++程序传递参数。讨论在C/C++中是如何使用Matlab传来的参数的。

     Matlab与C/C++混合编程的方法论。给出在一般情况下使用Matlab与C/C++混合编程的方法步骤，让大家有一个较为清晰的应用此技术的思路。
4 z# `/ e0 N! d, Y' e
6 Y% N, t# _+ Q7 m; a. f) l     关于数据存储的说明。说明数据在Matlab中的存储方式。

     注意：本文认为读者会使用Matlab，掌握C/C++语言，并且有一台计算机。计算机上安装有Windows的操作系统，操作系统上装有Matlab以及Visual Studio（比如VS2008，VS2010等）。或者计算机上安装有Linux的操作系统，系统上装有Matlab，GCC。
. v  a/ p1 A" Q
  w$ \" \$ F4 x( J
! j! Y) j) L! Ohello Matlab
     我们一步步完成一个叫“Hello Matlab”的程序。

     第一步：在你的计算机D盘下，创建一个目录命名为HiMat。在D:\HiMat目录下创建一个文本文件，命名为“abhimat.cpp”。将Code 1中的代码拷贝到“abhimat.cpp”文件中，保存。(注意，这里建立目录以及命名等行为不是规定的，只是为了讲解方便)。

• #include "mex.h"
• void mexFunction (int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
• {
•   mexPrintf("hello matlab in C/CPP.\n");
• }
  

Code 1, abhimat.cpp
6 k" y: N, M7 W# B( I# p* k     “abhimat.cpp”就是将要在Matlab中被调用的C/C++代码。

     第二步：在Matlab中编译“abhimat.cpp”。启动Matlab，进入D:\HiMat目录，在Matlab命令窗口中执行code 2中的命令，根据提示完成C/C++编译环境的配置。注意：如果你有多个编译器，建议选择最新的。

• mex -setup
  

Code 2, 设置Matlab的C/C++编译环境

     完成配置后，在Matlab中执行Code 3的命令来编译abhimat.cpp。
, R8 P1 y1 ^3 I% ^* j8 `# ]
# q' Z( F/ o1 D! @1 K
; \% z9 f' f" V& U  r

• mex abhimat.cpp
    d9 m0 y( X& `9 b" M

# h, }7 d  n' L2 ]' U
; [' q/ d. y9 A! h4 x6 dCode 3, 编译abhimat.cpp
$ q" Y# Z, A' \) _6 I5 ~; [! s
    第三步：执行编译后的C/C++程序。在Matlab命令窗口输入“abhimat”或者”abhimat()”，都可以调用编译后的程序，推荐使用后者。
7 Y6 K# Y# B+ l& Y
$ P5 d. I, Q, E2 Z  F     细心的读者已经注意到了：

• 在Matlab中调用的C/C++函数名就是编译后以mex*（这里，*表示任意多个字符，例如mexw64）为后缀名的文件名。
• Matlab执行abhimat()命令后，实际执行的是mexFunction函数中的程序。
  $ T1 d* d( T, u+ I; @" ]

Matlab调用C/C++程序传递参数

  Q5 U4 u6 x1 X2 m% C    此节我们讨论下，在供Matlab调用的C/C++程序中，我们是如何知道Matlab调用的参数类型、个数的。

    给出Matlab中调用C/C++程序的一个实例，如code 4所示。

• c = [1 2;3 4;5 6];
• d = [1 1;1 1;1 1];
• [a, b] = abfunc(c, d);
  2 g) P' ^7 W5 ]( M

, q$ u/ Y1 j* O) @8 LCode 4, Matlab调用C/C++程序实例

    下面的工作是如何在当前目录下一个命名为abfunc.cpp的文件中实现mexFunction函数。在这个函数中如何获得Matlab命令中的c、d两个变量的值，如何返回a、b两个变量呢。

    注意mexFunction函数中的四个参数，一一作出说明：

. a) o* o4 A/ r- D    nlhs：mexFunction的第一个参数，它指示Matlab的调用命令中等号左侧有几个变量。例如，code 4中的调用，nlhs的值为2，因为它的等号左侧有两个变量，他们是a和b。
" y3 k8 j& A# }/ P! h  z
( U* }$ A/ y, q5 H' n, c; f% c    plhs: mexFunction的第二个参数，它指示Matlab的调用命令中等号左侧变量的指针。例如，code 4中的调用，plhs[0]表示的是a，plhs[1]表示的是b。
4 W5 T6 t- K" P! Z  |; g
  P- v4 @( S! C+ Y2 N+ S) J    nrhs：mexFunction的第三个参数，它指示Matlab的调用命令中等号右侧的变量个数。例如，code 4中的调用，nrhs的值为2，因为它的等号右侧有两个变量，他们是c和d。

    prhs：mexFunction的第四个参数，它指示Matlab调用命令中等号右侧的变量指针。例如，code 4中的调用，prhs[0]表示的是c，prhs[1]表示的是d。
' U" m0 R& u9 @8 R+ _
, w: @9 O& R' W    mxArrary是一个不可见的数据类型，是Matlab定义的，大家只需要知道mxArrary的指针与Matlab中的变量一一对应就可以了。
$ J7 A$ Q( G( P) I/ l
7 ^' p# e+ P) b" r) G    下面实现abfunc.cpp，功能是a=c+d; b = c-d;具体代码如code 5所示。
/ N. k+ E$ k& j, l0 O, N  k

• #include "mex.h"
• void mexFunction (int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
• {
•   double *p_c, *p_d;
•   double *p_a, *p_b;
•   int c_rows, c_cols;
•   int d_rows, d_cols;
•   int numEl;
•   int n;
•   mxAssert(nlhs==2 && nrhs==2, "Error: number of variables");
•   c_rows = mxGetM(prhs[0]);// get rows of c
•   c_cols = mxGetN(prhs[0]);// get cols of c
•   d_rows = mxGetM(prhs[1]);// get rows of d
•   d_cols = mxGetN(prhs[1]);// get cols of d
•   mxAssert(c_rows==d_rows && c_cols==d_cols, "Error: cols and rows");
•   // create output buffer
•   plhs[0] = mxCreateDoubleMatrix(c_rows, c_cols, mxREAL);
•   plhs[1] = mxCreateDoubleMatrix(c_rows, c_cols, mxREAL);
•   // get buffer pointers
•   p_a = (double*)mxGetData(plhs[0]);
•   p_b = (double*)mxGetData(plhs[1]);
•   p_c = (double*)mxGetData(prhs[0]);
•   p_d = (double*)mxGetData(prhs[1]);
•   // compute a = c + d; b = c - d;
•   numEl = c_rows*c_cols;
•   for (n = 0; n < numEl; n++)
•   {
•     p_a[n] = p_c[n] + p_d[n];
•     p_b[n] = p_c[n] - p_d[n];
•   }
• }
  

+ j  W6 D+ n/ a5 X8 e% cCode 5,  abfunc.cpp的实现

8 [3 Z8 o- a: J; O8 d    说明一下code 5中用到的函数。这些函数大都以mx开头。mxAssert是断言，类似于C\C++中的assert。mxGetM获得Matlab传来的变量的行数，mxGetN获得Matlab传来的变量的列数。mxCreateDoubleMatrix创建一个2维的Matlab变量，形参分别用于指定变量的行数、列数、元素类型（mxREAL表示实数，mxCOMPLEX表示复数）。mxGetData用于获得内存中数据块的首地址。
# t& N- W) T9 G+ ]% h; X
    编译并测试Code 5中的代码，参见Code 6。
+ f( e8 _: g* z% K. {) f

• mex abfunc.cpp
• c = [1 2;3 4;5 6];
• d = [1 1;1 1;1 1];
• [a, b] = abfunc(c, d);
  0 F4 }) L" Z% Z( n! z9 w( g

( B: ^- X* ~- o; }2 Q0 d3 O
9 a0 |3 p" k/ R4 YCode 6, Code5的测试代码
$ O  D" h8 Q4 ~' d/ u6 B$ S/ o
    Code 6的输出结果如下：

• a =
•      2     3
•      4     5
•      6     7
• b =
•      0     1
•      2     3
•      4     5
  1 ^. M) ~4 q3 g5 Z

# `9 ]* }5 [( w' i! F  p& v) }8 {' Q
关于数据存储的说明
1 X9 m2 M; b5 l
2 x4 g  K  f* G  [" h! d) u   Matlab中的数据是按列存储的。例如，a=[1,2;3,4;5,6]，a的数据在内存中的存储顺序是：1、3、5、2、4、6。在C\C++中使用Matlab传来的变量时，一定要注意数据的存储顺序。

5 ^) q# |* r0 b3 W7 p2 _
Matlab与C/C++混合编程的方法论
" e& t: m' U+ A8 U* f( s& G& m
) G8 y2 p/ y! `. w" ?鉴于@编程小手 的建议，添加一个关于使用此方法的方法论流程图。希望它能让各位明白在什么情况下可是使用这种混合编程的技术、如何一步步实现。参见图1的流程图：
) K; b( j' B- L2 E3 t
* S8 ?8 N7 ^" p" ?; Z

图 1、Matlab与C/C++混编方法论流程图

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