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。

     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。

/ V# t: _; L/ W# V1 ^! f4 l4 Z3 z. Z     本文主要分以下几部分：

$ O8 W6 T4 z- X7 Q! g     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。

9 w0 V/ K5 u" i* d9 Q     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。
; h% q8 ?2 V5 W" ?+ L! Z$ t
     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。
/ s' w1 m$ F; ~) i  g& @7 c2 H
: _. \( D& I3 @6 f2 ]/ y3 ^     关于数据存储的说明。说明数据在Matlab中的存储方式。

6 e9 q: G- C. `! |1 r( S     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。
) H- Z" u- L; f% n  Q" i, N
; ?" K1 D3 j. s$ W* s
hello 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");
• }
  

; v1 }1 V* {- p2 PCode 1, abhimat.cpp
     “abhimat.cpp”就是将要在Matlab中被调用的C/C++代码。

! _* B0 @( k* O4 V1 e  _; c3 Y     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。
9 ?8 u( A$ g3 F  D3 h7 `
( O% u2 w, X: \, G* x$ {: A+ U

• mex -setup
  ( a7 a# N- Q9 L! [

( l' z) X0 m0 y" B' ]& J* z
$ X3 x7 F/ D) pCode 2, 设置Matlab的C/C++编译环境
! |* N% S  U* C* V) J
     完成配置后，在Matlab中执行Code 3的命令来编译abhimat.cpp。
# P1 u! S7 T! A, \& n
3 }7 L0 R$ ?3 P4 d2 q+ T' a4 l* V

• mex abhimat.cpp
  

6 `/ \& Z2 H& O. [4 t
Code 3, 编译abhimat.cpp

    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。
0 X$ ]% t9 v4 q! e0 m7 _
     细心的读者已经注意到了：

5 {# d9 |  d- p. Y) C; R( S4 v0 O

• 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。
  

0 \: i: |+ U  R" M2 BMatlab调用C/C++程序传递参数

' k2 s7 H) D3 c0 d    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。

1 [8 c' h% f2 b; R

• c = [1 2;3 4;5 6];
• d = [1 1;1 1;1 1];
• [a, b] = abfunc(c, d);
  + N  T, q3 _7 d# ^+ j2 X

Code 4, Matlab调用C/C++程序实例
6 a! Y$ S- r+ `  z8 Z$ Y  p
; {' w1 L. }1 m, v# g0 r2 s9 R+ n    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：
0 W5 }) D7 H1 a- d1 z& a& y
# ]( H$ m) y- b- T! S# W7 ~6 J    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。

: q: T2 I% G7 s/ I    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。
/ T. }/ E! a3 v% I& J2 r
    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。

$ k% {7 L+ C! f  R6 ]0 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。
5 Z7 s. Y8 Y  Q1 R/ v
    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。
/ w, r7 b2 {  U4 Z! [4 m1 b/ F
3 W$ P! i7 y7 L- Q% d* v  G; ^, L    下面实现abfunc.cpp，功能是a=c+d; b = c-d;具体代码如code 5所示。

% p) I$ q5 l! q0 C+ z! X, H

• #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
& ]  B; q- T# l1 R
    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。

4 w7 Q, s- y( v+ q* b    编译并测试Code 5中的代码，参见Code 6。

6 e) C2 p, ~; {# g: i" O$ r) R

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

0 N8 _' h. \9 `4 ^6 N8 X0 t
8 @8 ^4 `4 ]2 T" V' C" wCode 6, Code5的测试代码
% O  }* p( _- P' N/ E) r8 H8 T$ v
    Code 6的输出结果如下：

• a =
•      2     3
•      4     5
•      6     7
• b =
•      0     1
•      2     3
•      4     5
  7 `9 K" H! }0 a4 r2 }9 y

+ e* k$ U0 O& h
) L: `  _3 M% V5 E5 Q  `关于数据存储的说明
6 Y" l  p3 Z. O; U: x; P& r( F
: \( j# b$ k3 }& {2 K$ c   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。


Matlab与C/C++混合编程的方法论

5 T2 u( r3 l2 R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：

+ D/ y* s: W1 x

: Z9 {5 P4 M5 t1 W& P. b: H( r1 \$ `图 1、Matlab与C/C++混编方法论流程图
5 r8 j0 {* G8 P# ^& c3 W, w! G

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