Matlab与C/C++混合编程接口及应用方法

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1 引言

Matlab 是当前应用最为广泛的数学软件，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]。但与其他高级程序[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++语言是目前最为流行的高级程序设计语言之一[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高级语言，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 enginen"); 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:MATLAB6p5p1externinclude ， C:MATLAB6p5p1externincludecpp ； 然后在 Library files 里面加入： C:MATLAB6p5p1binwin32 ， C:MATLAB6p5p1extern libwin32microsoftmsvc60；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。