MATLAB调用C程序

uperrua

通过把耗时长的函数用c语言实现，并编译成mex函数可以加快执行速度。
# V* k! ^. v/ L$ K9 ]6 w& m; G
Matlab本身是不带c语言的编译器的，所以要求你的机器上已经安装有VC,BC或Watcom C中的一种。
/ K1 r5 v0 N" E5 f  H! V
- U6 k. U* v& N# q如果你在安装Matlab时已经设置过编译器，那么现在你应该就可以使用mex命令来编译c语言的程序了。
- X% S6 U' O0 Z# W( Y$ M
' C8 i% ]- W7 q' X7 G7 z# e# x如果当时没有选，就在Matlab里键入mex -setup，下面只要根据提示一步步设置就可以了。
3 E# R$ s5 S$ x" B

4 R: I! ]/ c; [& ]
$ B  G2 |: q! H1 N为了测试你的路径设置正确与否，把下面的程序存为hello.c。
/ r& k8 g" m; y
?
1 _$ ~+ l6 x0 k) P; F/*hello.c*/
#include "mex.h"
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
{ mexPrintf("hello,world!/n");
}
假设你把hello.c放在了C:/TEST/下，在Matlab里用CD C:/TEST/ 将当前目录改为C:/ TEST/（注意，仅将C:/TEST/加入搜索路径是没有用的）。现在敲：
mex hello.c
! D" z% A3 s; Z: y9 D如果一切顺利，编译应该在出现编译器提示信息后正常退出。如果你已将C:/TEST/加入了搜索路径，现在键入hello，程序会在屏幕上打出一行：
  y5 l2 U8 P9 Thello,world!
* _1 h8 N4 H$ }* N3 I' G
整个程序由一个接口子过程 mexFunction构成。
) b# m& T- c: }1 V4 O; [void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
前面提到过，Matlab的mex函数有一定的接口规范，就是指这
- t+ q" M6 H( W; Wnlhs：输出参数数目
# u5 l) x; y% H9 s0 @9 ~+ Uplhs：指向输出参数的指针
7 W! x7 u2 b- v( X0 q- nnrhs：输入参数数目
0 W3 d, {1 M6 l+ g6 S' F. r# S例如，使用
4 ?1 t. s1 F5 j- k# C[a,b]=test(c,d,e)
调用mex函数test时，传给test的这四个参数分别是
      2，plhs，3，prhs
其中：
' T, i$ g, ]5 U9 oprhs[0]=c
prhs[1]=d
" O" T1 ]9 w  U/ Uprhs[2]=e
当函数返回时，将会把你放在plhs[0]，plhs[1]里的地址赋给a和b，达到返回数据的目的。  
6 A/ \8 h5 D! Q1 d: S细心的你也许已经注意到，prhs和plhs都是指向类型mxArray类型数据的指针。 这个类型是在mex.h中定义的，事实上，在Matlab里大多数数据都是以这种类型存在。当然还有其他的数据类型，可以参考Apiguide.pdf里的介绍。
3 c' M' O1 X- m8 E0 \

! `7 |; G$ |4 W, B0 [: Q
//hello.c 2.0
#include "mex.h"
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
+ e& H: C" @7 ~1 X; p, w* ]8 [; Wint i;
i=mxGetScalar(prhs[0]);
: K4 d3 ~' J- R& Dif(i==1)
  mexPrintf("hello,world!/n");
else
4 l" \2 m" I( f: ]: H  mexPrintf("大家好！/n");
}

+ R5 @+ L% j! D/ c- t; ~
将这个程序编译通过后，执行hello(1),屏幕上会打出： hello,world!
而hello(0)将会得到： 大家好！
2 K5 E# E4 m& Y; Y+ B% ?) Z
7 M. X. c( i/ k" Q4 {0 H用到了一个函数：mxGetScalar，调用方式如下：
! O0 y& ]$ T* ?+ \6 A9 p   i=mxGetScalar(prhs[0]);
% I) |2 }5 S. J; Q2 v+ ^  Q"Scalar"就是标量的意思。在Matlab里数据都是以数组的形式存在的，mxGetScalar的作用就是把通过prhs[0]传递进来的mxArray类型的指针指向的数据（标量）赋给C程序里的变量。这个变量本来应该是double类型的，通过强制类型转换赋给了整形变量i。
+ |' l; G( P2 b) W( ~0 R3 \# T, V
; B8 r! T. G+ p: S( R
1 r6 n+ c" w3 P  d* D
" }' n1 R; `4 J- r4 l8 w3 z  J//hello.c 2.1
#include "mex.h"
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],
int nrhs, const mxArray *prhs[])
9 Z% L; O" K$ Y7 U{
" j2 ?6 D) p) I0 x8 C- R+ m0 W4 M- r" J+ Pint *i;
6 W  D1 M. i3 L4 i6 }2 ii=mxGetPr(prhs[0]);
if(i[0]==1)
/ m- H& u. F9 I" y* b# V, ?; ?  mexPrintf("hello,world!/n");
else
2 W0 K$ g9 E: ~2 I  mexPrintf("大家好！/n");
+ L0 q0 O5 H3 E5 w4 _' b}
3 J  i& I$ u2 }


2 g! _4 r9 l1 l3 a! `! x这样，就通过mxGetPr函数从指向mxArray类型数据的prhs[0]获得了指向double类型的指针。
但是，还有个问题，如果输入的不是单个的数据，而是向量或矩阵，那该怎么处理呢 ？通过mxGetPr只能得到指向这个矩阵的指针，如果我们不知道这个矩阵的确切大小，就
没法对它进行计算。
为了解决这个问题，Matlab提供了两个函数mxGetM和mxGetN来获得传进来参数的行数 和列数。下面例程的功能很简单，就是获得输入的矩阵，把它在屏幕上显示出来：

: h3 z* s  q2 c  _  o$ |8 i+ U
9 Y, W, ^( q! C" I//show.c 1.0
#include "mex.h"
6 h: }/ ^( w, R. J* v! g: E+ E+ V#include "mex.h"
; x7 S- V' G5 f6 C0 W- P3 Qvoid mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
; c6 z& L  N; E; s1 a{
+ i6 l' |" x+ O9 y$ L: Hdouble *data;
int M,N;
int i,j;
data=mxGetPr(prhs[0]); //获得指向矩阵的指针
M=mxGetM(prhs[0]); //获得矩阵的行数
N=mxGetN(prhs[0]); //获得矩阵的列数
for(i=0;i<M;i++)
{   for(j=0;j<N;j++)
: w4 _& t5 k* K" j3 `     mexPrintf("%4.3f  ",data[j*M+i]);
     mexPrintf("/n");
  }
- r( K) n/ i. N  m, T+ X1 N5 y}
9 j& }- \$ C% ?& f% g


& D/ r" g: V) r/ z- \$ `- n编译完成后，用下面的命令测试一下：
! i$ q, o, R% R* _' }# |# u" ~/ u  a=1:10;
  b=[a;a+1];
  show(a)
3 i5 i9 @! R( n$ d  show(b)
需要注意的是，在Matlab里，矩阵第一行是从1开始的，而在C语言中，第一行的序数为零，Matlab里的矩阵元素b(i,j)在传递到C中的一维数组大data后对应于data[j*M+i] 。
5 a2 e4 k+ y: E  x7 m输入数据是在函数调用之前已经在Matlab里申请了内存的，由于mex函数与Matlab共用同一个地址空间，因而在prhs[]里传递指针就可以达到参数传递的目的。但是，输出参数却需要在mex函数内申请到内存空间，才能将指针放在plhs[]中传递出去。由于返回指针类型必须是mxArray，所以Matlab专门提供了一个函数：mxCreateDoubleMatrix来实现内存的申请，函数原型如下：
   mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity ComplexFlag)
* q  _; ~) E9 z, a$ ?   m：待申请矩阵的行数
   n：待申请矩阵的列数
( z. n, S3 G  V1 Z为矩阵申请内存后，得到的是mxArray类型的指针，就可以放在plhs[]里传递回去了。但是对这个新矩阵的处理，却要在函数内完成，这时就需要用到前面介绍的mxGetPr。使用 mxGetPr获得指向这个矩阵中数据区的指针（double类型）后，就可以对这个矩阵进行各种操作和运算了。下面的程序是在上面的show.c的基础上稍作改变得到的，功能是将输  




//reverse.c 1.0
#include "mex.h"
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],
    int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
double *inData;
0 p: ~1 F, t  |$ L" C" X9 b( _double *outData;
int M,N;
int i,j;
inData=mxGetPr(prhs[0]);
6 u" ^1 b+ H; @2 T; H% XM=mxGetM(prhs[0]);
N=mxGetN(prhs[0]);
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL);
outData=mxGetPr(plhs[0]);
for(i=0;i<M;i++)
  for(j=0;j<N;j++)
& P1 h% z6 ~) I9 ?3 O; o   outData[j*M+i]=inData[(N-1-j)*M+i];
}



当然，Matlab里使用到的并不是只有double类型这一种矩阵，还有字符串类型、稀疏矩阵、结构类型矩阵等等，并提供了相应的处理函数。本文用到编制mex程序中最经常遇到的一些函数，其余的详细情况清参考Apiref.pdf。
* N( J7 e4 H4 c" W  S通过前面两部分的介绍，大家对参数的输入和输出方法应该有了基本的了解。具备了这些知识，就能够满足一般的编程需要了。但这些程序还有些小的缺陷，以前面介绍的re由于前面的例程中没有对输入、输出参数的数目及类型进行检查，导致程序的容错性很差，以下程序则容错性较好
$ m% m5 \- }& r3 Y8 o% q

#include "mex.h"
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],  int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
: x& h  }6 R) s( hdouble *inData;
* S" P% A4 ^1 E- C* q; x4 ldouble *outData;
1 Q' I4 \3 |) U3 u* L9 p2 c  {int M,N;
9 U& y7 z9 @9 }//异常处理
//异常处理
if(nrhs!=1)
    mexErrMsgTxt("USAGE: b=reverse(a)/n");
! @- W& R  H* T6 f8 O4 c/ x  if(!mxIsDouble(prhs[0]))
   mexErrMsgTxt("the Input Matrix must be double!/n");
   inData=mxGetPr(prhs[0]);
   M=mxGetM(prhs[0]);
, x* y" Q8 i0 q3 e2 [' n   N=mxGetN(prhs[0]);
   plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL);
   outData=mxGetPr(plhs[0]);
* |( |# H  h5 w  x/ I3 y   for(i=0;i<M;i++)
' h9 z% M" M) e3 Y2 k4 o6 h     for(j=0;j<N;j++)
     outData[j*M+i]=inData[(N-1-j)*M+i];
4 {; ?, `8 A+ M- k- n& |% s  }
( A0 o" g0 F( X1 r' b4 _+ _5 w. e
, Q  t$ ~3 b6 e. @  y+ Y8 W7 t

在上面的异常处理中，使用了两个新的函数：mexErrMsgTxt和mxIsDouble。MexErrMsgTxt在给出出错提示的同时退出当前程序的运行。MxIsDouble则用于判断mxArray中的数据是否double类型。当然Matlab还提供了许多用于判断其他数据类型的函数，这里不加详述。
, _. k( c- A9 @  S9 R6 f7 O5 R需要说明的是，Matlab提供的API中，函数前缀有mex-和mx-两种。带mx-前缀的大多是对mxArray数据进行操作的函数，如mxIsDouble,mxCreateDoubleMatrix等等。而带mx前缀的则大多是与Matlab环境进行交互的函数，如mexPrintf，mxErrMsgTxt等等。了解了这一点，对在Apiref.pdf中查找所需的函数很有帮助。
至此为止，使用C编写mex函数的基本过程已经介绍完了。

+ p. H9 K$ X7 A3 ]! U

regngfpcb

MATLAB调用C程序