初步研究一下C/C++与Matlab混合编程

ulppknot

1 ~; N; U0 B/ m& w: x  Z 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。

  I9 [/ Z) P) w     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：
7 U3 D0 b! u& q" e+ p2 t9 n! R
( F$ }5 {% J% }8 X9 E     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。

     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。
, n0 v1 s' u% R9 p; A. T
  x; a+ }, E8 E     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。

- L8 ^! D+ L7 w  d     关于数据存储的说明。说明数据在Matlab中的存储方式。

- K* q* v5 N" h* l# {  W     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。

, Y9 R( H4 M9 }1 H
# y1 u+ h% f. Whello Matlab
5 A; i( J: s- p$ A" h8 g! E7 U     我们一步步完成一个叫“Hello Matlab”的程序。

) T& b3 f, O, c9 Q     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)。
9 Y8 Q3 M0 W  U) n8 H/ t8 S

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

& J' E7 ^9 P  Z! A3 B9 c" ~
+ ]* R! V# b: i0 H2 `Code 1, abhimat.cpp
     “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。
; N2 l. J4 h3 R3 s: C

• mex -setup
  7 V( {% O% |2 g) h

) m+ G; d( a5 {" s4 K7 w; s+ a
" m8 b* [4 n* {+ J" rCode 2, 设置Matlab的C/C++编译环境
: X! \( X# T4 H' A# h5 h) l  I
     完成配置后，在Matlab中执行Code 3的命令来编译abhimat.cpp。
9 P. R  p# U$ x- D7 X
. j; @8 z6 ]3 M9 Q- d7 Z# h7 g# L, b

• mex abhimat.cpp
  + W% C$ v; n) n$ H+ g, b. n

# M+ d0 e, y! s( [' u' ^: B
) d* a7 M3 O: H) ^Code 3, 编译abhimat.cpp
( J/ r* p$ s0 k# g/ p+ m! L! e% T
    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。

     细心的读者已经注意到了：
6 o4 T) p" R; Z! H0 f$ }2 ?

• 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。
  

; J8 Y2 C- N4 e: K/ k
" s& v# \  L0 w5 n4 T5 rMatlab调用C/C++程序传递参数

5 v, {# n/ b- ~( A; E/ ^6 o    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。

/ p% d& L) y& n. y- b& I1 ^    给出Matlab中调用C/C++程序的一个实例，如code 4所示。
" m9 q* A" s9 ?

$ {3 x8 Q' S' y

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

7 ^, o* N  V9 G/ Z* z
Code 4, Matlab调用C/C++程序实例
6 W  k/ l( H4 M' l
2 ~4 Y6 g4 B3 h    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：

" [6 A' _! E- s" K    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。

' N3 ]9 Q* o2 C  v6 Y; j9 F    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+ }4 C4 k- |" G( m# P    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。

1 f9 K$ s. n9 [; A) h    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。

# ~5 U! a  F5 {0 b+ Z

• #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
/ Z* s+ ~% T" f, i' a
    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。

  P: s+ j$ I5 S! d! i5 O: g    编译并测试Code 5中的代码，参见Code 6。
, n1 \8 O5 v: W3 P, q  U; R

• mex abfunc.cpp
• c = [1 2;3 4;5 6];
• d = [1 1;1 1;1 1];
• [a, b] = abfunc(c, d);
    @# A5 y+ L' U8 P' j$ |$ O

/ p8 B' g1 Q% b
Code 6, Code5的测试代码

9 s8 B0 p4 P* V0 r$ ~( q+ B    Code 6的输出结果如下：
6 s) k8 P$ t/ h" u* Y$ f
. b8 L  N) n+ o$ g8 X# b3 u4 n

• a =
•      2     3
•      4     5
•      6     7
• b =
•      0     1
•      2     3
•      4     5
  

关于数据存储的说明

   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。
+ a$ U( Z; q% U+ ~7 U  E0 l
6 Y5 Z0 F! x' O+ p3 Y7 h
2 T2 ?7 O* q2 [: [" z0 Z; O! ]" qMatlab与C/C++混合编程的方法论
- C; \, {2 M! T, g+ o9 q( m$ C( [
, X4 e. o% C  J& V, o( H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：
# n( y& V9 m- y

4 Y9 M  ]$ ^4 `+ P" F9 p( D* i
9 d$ ~$ V$ ~; P6 H2 g- g, o7 n: P; Y图 1、Matlab与C/C++混编方法论流程图
' n7 H' e# y. E# K: Y: i  y, C5 Q

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