Matlab与C/C++混合编程接口及应用

　　摘要：Matlab具有很强的数值计算和分析等能力,而C/C++是目前为流行的程序设计语言,两者互补结合的混合编程在科学研究和工程实践中具有非常重要的意义。从Matlab调用C/C++代码及C/C++调用m文件两方面,深入地研究了它们之间混合编程的原理和实现机制,并且给出了具体条件下的混合编程方法和步骤。实验表明,给出的Matlab与C/C++混合编程接口及应用方法是有效、实用的。

　　1 引言

　　Matlab 是当前应用为广泛的数学软件，具有强大的数值计算、数据分析处理、系统 分析、图形显示甚至符号运算等功能[1]。利用这一完整的数学平台，用户可以快速实现十分 复杂的功能，极大地提高工程分析计算的效率[2][3]。但与其他程序[3]相比，Matlab 程序 是一种解释执行程序，不用编译等预处理，程序运行速度较慢[4]。

　　C/C++语言是目前为流行的程序设计语言之一[5]。它可对操作系统和应用程序以 及硬件进行直接操作，用C/C++语言明显优于其它解释型语言，一些大型应用软件如 Matlab 就是用C 语言开发的。

　　在工程实践中，用户经常遇到Matlab 与C/C++混合编程的问题。本文基于Matlab 6.5和VC6.0 开发环境，在Windows 平台下就它们之间的混合编程问题进行深入研究并举例说明。

　　2 Matlab 调用C/C++

　　Matlab 调用C/C++的方式主要有两种：利用MEX 技术和调用C/C++动态连接库。

　　在Matlab 与C/C++混合编程之前，必须先对Matlab 的编译应用程序mex 和编译器mbuild进行正确的设置[1]：

　　对Matlab 编译应用程序mex 的设置：Mex –setup.

　　对Matlab 编译器mbuild 的设置：Mbuild –setup.

　　2.1 调用C/C++的MEX 文件

　　MEX 是Matlab Executable 的缩写，它是一种“可在Matlab 中调用的C(或Fortran)语 言衍生程序”[6]。MEX 文件的使用极为方便，其调用方式与Matlab 的内建函数完全相同，只 需在Matlab 命令提示符下键入MEX 文件名即可。

　　一个C/C++的MEX源程序通常包括4个组成部分，其中前3个是必须包含的内容，第4个则根据所实现的功能灵活选用:(1)#include “mex.h”;(2)MEX文件的入口函数mexFunction, MEX文件导出名必须为mexFunction函数;(3)mxArray;(4)API函数

　　通过简单的例子说明C/C++的MEX 源程序编写和调用过程:

　　#include "mex.h"

　　void timestwo(double y[], double x[])

　　{ y[0] = 2.0*x[0]; }

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

　　{ double *x,*y; int mrows,ncols;

　　if(nrhs!=1) mexErrMsgTxt("One input required.");

　　else if(nlhs>1) mexErrMsgTxt("Too many output arguments");

　　mrows = mxGetM(prhs[0]);ncols = mxGetN(prhs[0]);

　　if( !mxIsDouble(prhs[0])||mxIsComplex(prhs[0])||!(mrows==1 && ncols==1))

　　mexErrMsgTxt("Input must be a noncomplex scalar double.");

　　plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(mrows,ncols, mxREAL);

　　x=mxGetPr(prhs[0]); y=mxGetPr(plhs[0]); timestwo(y,x); }

　　用指令mex timestwo.c 编译此文件，然后在MATLAB 命令行下调用生成的MEX 文件即可。

　　2.2 调用C/C++动态连接库

　　Matlab 提供对动态连接库DLL 文件的接口[7]。利用该接口，可在Matlab 中调用动态连 接库导出的函数。Matlab 对DLL 的接口支持各种语言编写的DLL 文件。在调用DLL 文件之 前，需要准备函数定义的头文件。对于C/C++语言开发的DLL 文件，可使用源程序中相应的 头文件；而对于其他语言开发的DLL，则要手工准备等效的C 语言函数定义头文件。

　　在Matlab 中利用动态连接库接口技术通常需要完成以下4 个步骤：

　　(1)打开动态连接库文件；(2)为调用函数准备数据；(3)调用动态连接库文件中导出的 函数；(4)关闭动态连接库文件。

　　为了实现以上步骤，用到的Matlab 函数有：loadlibrary,loadlibrary,calllib, libfunctions,lipointer,libstruct,libisloaded。下面举例说明Matlab 调用C/C++动态 连接库的方法和步骤：

　　a.在VC 环境下，新建工程->win32 动态连接库->工程名Test1->empty 工程->完成；

　　b.新建->C++源文件->添加a.cpp,内容为: #include "a.h"

　　_declspec(dllexport) int add(int a, int b) { return a+b; }

　　c.新建->C/C++头文件->添加a.h，内容为： _declspec(dllexport) int add(int a,intb);然后编译生成Test1.dll 动态连接库文件，将Test1.dll 和a.h 拷到Matlab 工作目录下。

　　d.在Matlab 命令行下，调用Test.dll：>>loadlibrary(‘Test1’,’a.h’); >>x=7;

　　>>y=8; >>calllib(‘Test1’,‘add’,x,y); Ans=15 >>unloadlibrary(‘Test1’).

　　调用DLL 动态连接库的方法，为Matlab 重用工程实践中积累的大量实用C/C++代码提供了一种简洁方便的方法。与调用MEX 文件相比，该方法更加简便实用。

　　3 C/C++调用Matlab

　　在工程实践中，C/C++调用Matlab 的方法主要有调用Matlab 计算引擎、包含m 文件转 换的C/C++文件，以及调用m 文件生成的DLL 文件。

　　3.1 利用Matlab 计算引擎

　　Matlab 的引擎库为用户提供了一些接口函数，利用这些接口函数，用户在自己的程序 中以计算引擎方式调用Matlab 文件。该方法采用客户机/服务器的方式，利用Matlab 引擎 将Matlab 和C/C++联系起来。在实际应用中，C/C++程序为客户机，Matlab 作为本地服务器。

　　C/C++程序向Matlab 计算引擎传递命令和数据信息，并从Matlab 计算引擎接收数据信息[2]。

　　Matlab 提供了以下几个C 语言计算引擎访问函数供用户使用[8]：engOpen，engClose， engGetVariable，engPutVariable，engEvalString，engOutputBuffer，engOpenSingleUse， engGetVisible，engSetVisible。

　　下面以C 语言编写的、调用Matlab 引擎计算方程x3 ?2x+5=0根的源程序example2.c 为 例，说明C/C++调用Matlab 计算引擎编程的原理和步骤：

　　#include <windows.h> #include <stdlib.h>

　　#include <stdio.h> #include "engine.h"

　　int PASCAL WinMain (HANDLE hInstance, HANDLE hPrevInstance,

　　LPSTR lpszCmdLine, int nCmdShow)

　　{ Engine *ep; mxArray *P=NULL,*r=NULL;

　　char buffer[301]; double poly[4]={1,0,-2,5};

　　if (!(ep=engOpen(NULL)))

　　{fprintf(stderr,"\nCan't start MATLAB engine\n"); return EXIT_FAILURE;}

　　P=mxCreateDoubleMatrix(1,4,mxREAL); mxSetClassName(P,"p");

　　memcpy((char *)mxGetPr(P),(char *)poly, 4*sizeof(double));

　　engPutVariable(ep,P); engOutputBuffer(ep,buffer,300);

　　engEvalString(ep,"disp(['多项式',poly2str(p,'x'),'的根']),r=roots(p)");

　　MESSageBox(NULL,buffer,"example2 展示MATLAB 引擎的应用",MB_OK);

　　engClose(ep); mxDestroyArray(P); return EXIT_SUCCESS; }

　　在Matlab 下运行example2.exe: mex -f example2.c。运行结果如图1 所示：

　　利用计算引擎调用Matlab的特点是：节省大量的系统资源，应用程序整体性能较好，但 不能脱离Matlab的环境运行，且运行速度较慢，但在一些特别的应用[9]（例如需要进行三维 图形显示）时可考虑使用。

　　3.2 利用mcc 编译器生成的cpp 和hpp 文件

　　Matlab自带的C++Complier--mcc，能将m文件转换为C/C++代码。因此，它为C/C++程序调用m文件提供了另一种便捷的方法。下面举例说明相应步骤：

　　a.新建example3.m：function y=exmaple3(n) y=0; for i=1:n y=y+i;end

　　保存后在命令窗口中输入：mcc -t -L Cpp -h example3.

　　则在工作目录下生成example3.cpp 和example3.hpp 两个文件。

　　b.在VC 中新建一个基于对话框的MFC 应用程序Test2，添加一个按钮，并添加按钮响应函数，函数内容见f 步。将上面生成的两个文件拷贝到VC 工程的Test2 目录下。

　　c.在VC 中选择：工程->设置，选择属性表Link 选项，下拉菜单中选择Input，在对象 / 库模块中加入lIBMmfile.lib libmatlb.lib libmx.lib libmat.lib libmatpm.lib sgl.lib libmwsglm.lib libmwservices.lib ， 注意用空格分开； 而在忽略库中加入 msvcrt.lib；

　　d.选择属性表C/C++选项，下拉菜单选General，在预处理程序定义中保留原来有的内 容，并添加MSVC,IBMPC,MSWIND，并用逗号隔开。选择下拉菜单的Precompiled Headers 选 项，在“自动使用预补偿页眉”中添加stdafx.h，然后确定。

　　e. 选择: 工具-> 选项， 属性页选择“ 目录” ， 在include files 加入： C:\MATLAB6p5p1\extern\include ， C:\MATLAB6p5p1\extern\include\cpp ； 然后在 Library files 里面加入： C:\MATLAB6p5p1\bin\win32 ， C:\MATLAB6p5p1\extern\ lib\win32\microsoft\msvc60；注意根据用户的Matlab 安装位置，修改相应目录。

　　f.在响应函数中添加头文件：#include "matlab.hpp" #include "example3.hpp" 函数响应代码为：

　　int i; mwArray n; n=10; n=example3(n); i=n.ExtractScalar(1);

　　CString str; str.Format("example3 的返回值是:%d",i); AfxMessageBox(str);

　　g. 编译，连接，执行，结果如图2 所示。

　　3.3 利用mcc 编译器生成的的DLL 文件

　　Matlab的C++ Complier不仅能够将Matlab的m文件转换为C/C++的源代码，还能产生完全 脱离Matlab运行环境的独立可执行DLL程序。从而可以在C/C++程序中，通过调用DLL实现对 Matlab代码的调用。下面通过一个简单的例子说明C/C++调用m文件生成的DLL：

　　a.建立m文件example4.m： function result=example4(para)

　　x=[1 para 3]; y=[1 3 1]; plot(x,y); result=para*2; end.然后在命令窗口中输入：

　　mcc -t -W libhg:example4 -T link:lib -h libmmfile.mlib libmwsglm.mlib example4则在工作目录下会生成example4 .dll、example4 .lib和example4 .h三个文件。

　　b.在VC中新建一个基于对话框的应用程序Test3，然后添加一个按钮及按钮响应函数，函数内容见d步，再将生成的3个文件拷贝到Test2工程目录下。

　　c.VC编译环境的设置如同3.2节c、d步；

　　d.在按钮函数文件添加如下的头文件：#include "example4 .h" ，函数响应代码为：

　　mxArray* para=mxCreateDoubleScalar(2); mxArray* result; example4Initialize();

　　result=mlfExample4(para); CString str;

　　str.Format("%f",mxGetScalar(result)); AfxMessageBox(str);

　　e.编译，连接，执行，结果如图3所示。

　　利用mcc 编译器生成的DLL 动态连接库文件，只需在C/C++编译环境中将其包含进来， 调用导出函数即可实现原m 文件的功能，极大地方便了用户的代码设计。

　　4 结束语

　　本文从Matlab 调用C/C++代码和C/C+调用m 文件两方面，详细地研究了Matlab 与C/C++ 混合编程技术。对于Matlab 调用C/C++代码，给出了常用的MEX 技术和调用C/C++动态连接 库的方法，并对它们进行比较。针对用户在实际中经常遇到的C/C++调用Matlab 问题，通过研究给出了常用的三种方法及其特点：利用Matlab 计算引擎的方法，混合编程后的可执 行程序脱离不了Matlab 的运行环境，运行速度很慢；利用mcc 编译器将m 文件转化为C/C++ 文件的方法，虽然能独立于Matlab 运行环境，可在C/C++环境中包含生成的文件非常繁琐； 但是m 文件生成的DLL 为用户提供了一种简洁方便的C/C++调用Matlab 代码的方法。除 Matlab 自带的mcc 外，Matcom 也能将M 文件编译为C/C++文件和DLL 文件[2][8]，但混合编程 原理一样，在此省略。