初步研究一下C/C++与Matlab混合编程

ulppknot

' e7 P1 c. f0 ?/ c 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。

     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。

     本文主要分以下几部分：

( M% J  M/ t+ N) K- E3 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。
  Z, W0 q1 [, I+ c
/ |$ \& D" {0 I  C( _: [     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。
3 z+ b8 Z& o: L8 z! q$ o
/ i2 f  s! `" N1 w+ R3 X     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。
. \7 `& @- N1 \3 m

9 k/ \( O$ C( {" h3 B' A) Whello 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)。
% C; f; u5 z) K/ A5 V8 Y; z
  B" i+ V0 [7 v9 m  u

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

/ c. ]0 P, `+ A6 v  \/ b5 gCode 1, abhimat.cpp
$ ~6 `& r) C1 H& ~8 V$ T     “abhimat.cpp”就是将要在Matlab中被调用的C/C++代码。
; a# e$ l/ x# W4 _0 G; H
     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。

  h* D: p; r2 ~$ j

• mex -setup
  

+ W' x  Y3 x" o) W* H3 |" q; wCode 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。

• mex abhimat.cpp
  

0 ~7 F+ r" l4 Y  c: R& N& I0 t/ ?Code 3, 编译abhimat.cpp
# m6 f/ n' E5 u7 B1 @( y  m6 [# \1 a
    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。
. _% _- _; D0 d' L/ P7 Y$ O3 c
     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。
  

% a8 k) y6 M% J( u0 VMatlab调用C/C++程序传递参数

    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。
2 f" R8 C! g* n; q7 R% K7 R' P, T5 c
1 \$ Z) w+ I4 k: D    给出Matlab中调用C/C++程序的一个实例，如code 4所示。

8 @9 e/ b9 j4 U7 B0 i  H, i
# P6 Q8 d/ E3 ?/ [3 y' `

• c = [1 2;3 4;5 6];
• d = [1 1;1 1;1 1];
• [a, b] = abfunc(c, d);
  

0 M$ u; [& ~7 G. x
1 K  g$ q# w# \Code 4, Matlab调用C/C++程序实例
* C, u  h. f9 g4 l! h! p
' h1 `$ @) N( e# m* B    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：
4 t' Y$ L9 j6 n7 c
0 ?% f  A# d5 u1 h* F    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。

7 J" s. E, z2 g: y% }1 O2 V; B    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。
# H" l% Y( u' y/ _1 {
    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。
8 y% e# l& B' [
    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。

    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。

    下面实现abfunc.cpp，功能是a=c+d; b = c-d;具体代码如code 5所示。
/ B0 }) _* N8 c9 b7 u* X6 r& o+ d

• #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];
•   }
• }
  

Code 5,  abfunc.cpp的实现
8 i' T7 ^% q' Q
0 q+ k& Q$ n. W1 N    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。

    编译并测试Code 5中的代码，参见Code 6。
0 z: Y1 n9 l' w3 L
4 P3 P0 |5 ^$ C9 o# l: T

• mex abfunc.cpp
• c = [1 2;3 4;5 6];
• d = [1 1;1 1;1 1];
• [a, b] = abfunc(c, d);
  

Code 6, Code5的测试代码

% r/ P! u7 H- G; y( d9 q  d    Code 6的输出结果如下：

• a =
•      2     3
•      4     5
•      6     7
• b =
•      0     1
•      2     3
•      4     5
  * p' X7 q+ W; d1 V9 f$ ^

: c2 `3 E$ p7 N% P
关于数据存储的说明
# X9 ?: q5 I7 K6 g+ e& n, u. O
0 s! x" @0 x4 E( q9 |   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。
2 v7 N% \7 W( W/ O' j$ B! |) N$ a
! S3 Z& d) y" q6 {, F
Matlab与C/C++混合编程的方法论
% w; I4 }. n) e, k- N8 Z
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：

. P1 `: N9 r* U4 J+ _* C& `; t
: H$ x# p. a* H& \
8 K, T& L; O. S- _8 Z* ]图 1、Matlab与C/C++混编方法论流程图
: W% X& [% V! R: Z

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C/C++与Matlab混合编程

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