c++和matlab混合编程,C语言与MATLAB接口
在参考文献的基础上。补充和完善。
Matlab与C/C混合编程接口及其应用
Matlab具有强大的数值计算和分析能力，C/C是最流行的高级编程语言。两者互补结合的混合编程在科学研究和工程实践中具有重要意义。从Matlab调用C/C代码和C/C调用M文件两个方面，深入研究了两者混合编程的原理和实现机制，给出了特定条件下混合编程的方法和步骤。实验表明，Matlab与C/C混合编程的接口和使用方法是有效和实用的。
1导言
Matlab是目前应用最广泛的数学软件，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]。利用这个完整的数学平台，用户可以快速实现非常复杂的功能，大大提高工程分析计算的效率[2][3]。但相对于其他高级程序[3]，Matlab程序是一个解释执行程序，不需要编译等预处理，运行速度较慢[4]。
C/C语言是目前最流行的高级编程语言之一[5]。可以直接操作操作系统、应用程序和硬件，C/C语言明显优于其他解释性高级语言。一些大型应用软件如Matlab是用C语言开发的。
在工程实践中，用户经常会遇到Matlab与C/C混合编程的问题，基于Matlab 6.5和VC6.0的开发环境，对Windows平台下两者的混合编程进行了深入研究，并给出了实例。
2 Matlab调用C/C
Matlab调用C/C主要有两种方式：使用MEX技术和调用C/C动态链接库。
在Matlab和C/C混合编程之前，必须正确设置Matlab的编译器应用程序mex和编译器mbuild[1]:
Matlab编译器应用程序的设置。
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，是一种“可以在Matlab中调用的C(或Fortran)语言衍生程序”[6]。MEX文件使用起来非常方便，它的调用方式和Matlab的内置函数一模一样。只需在Matlab的命令提示符下输入MEX文件名即可。
一个C/C MEX源程序通常由四个组件组成，前三个是必备内容，第四个根据实现的功能灵活选择：(1) #包含“MEX . h”；(2)MEX文件的入口函数，而MEX文件的导出名必须是mexFunction，MEX(3)mxArray；(4)API函数
用简单的例子说明C/C的MEX源程序的编写和调用过程：
#包含“mex.h”
void timeSTwo(双y[]，双x[])
{ y[0]=2.0 * x[0]；}
void mexFunction(int nlhs，mxArray * plhs[]，int nrhs，const mxArray *prhs[])
{
双*x，* y；int mrows，ncols
如果(nrhs！=1)mexermsgtxt(需要一个输入。);
else if(nlhs 1)mexermsgtxt(太多输出参数)；
mrows=MX getm(prhs[0])；ncols=MX getn(prhs[0])；
如果(！mxis double(prhs[0]) mxis complex(prhs[0]) ！(mrows==1 ncols==1))
mexErrMsgTxt(输入必须是非复数标量double。);
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(mrows，ncols，MX real)；
x=mxGetPr(prhs[0])；y=mxGetPr(plhs[0])；timestwo(y，x)；}
可以在matlab中编译，也可以直接在C环境中编译：
1).(在matlab中)用指令mex timestwo.c编译这个文件，然后在MATLAB的命令行下调用生成的mex文件。2).(在VC2008中)像通用C一样编译后会生成dll，这样就可以直接在Matlab中使用，或者复制改变后缀。mexw32。(因为以后版本的Matlab R2010b可能不支持调用带dll后缀的mex文件)
2.2调用C/C动态链接库(即常用的C程序dll不使用mex的接口函数)
Matlab提供了动态链接库DLL文件的接口[7]。有了这个接口，可以在Matlab中调用动态链接库导出的函数。Matlab DLL的接口支持各种语言编写的DLL文件。在调用DLL文件之前，需要准备好函数定义的头文件。对于C/C语言开发的DLL文件，可以使用源程序中对应的头文件；对于用其他语言开发的dll，要手动准备等价的C语言函数定义头文件。
在Matlab中使用动态链接库接口技术通常需要完成以下四个步骤：
(1)打开动态连接库文件；(2)为调用函数准备数据；(3)调用从动态链接库文件中导出的函数；(4)关闭动态连接库文件。
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动态链接库的方法和步骤：
A.在VC环境下，新建项目——win32动态连接库——项目名Test1——空项目——完成；
B.创建新的C源文件-添加一个. cpp，内容为：#include a.h
_ declspec(dll export)int add(int a，int b){ return a b；}
C.新建一个-C/C头文件-add a.h，内容为：_ declspec(dll export)int add(int a，int b)；然后编译生成Test1.dll动态链接库文件，将Test1.dll和A.H .复制到Matlab的工作目录下。
D.在Matlab的命令行下调用Test.dll: LoadLibrary (test1 ， a . h )；x=7；
y=8；calllib(Test1 ， add ，x，y)；Ans=15 unloadlibrary(Test1 )。
调用DLL动态链接库的方法为Matlab重用工程实践中积累的大量实用C/C代码提供了一种简便的方法。与调用MEX文件相比，该方法更加简单实用。不过这个接口支持C，但是不支持C库和函数的重载。在这种情况下，建议使用MEX-file。如果真的要用这种方法(调用C/C动态连接库)，就要对C做一些改动，详见3358 www.mathworks.de/help/techdoc/MATLAB _外部/f43202.html # bq。
3/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、调用M文件生成的DLL文件。
3.1使用Matlab计算引擎
Matlab的引擎库为用户提供了一些接口函数。通过这些接口函数，用户可以在自己的程序中以计算引擎的形式调用Matlab文件。该方法采用客户/服务器模式，使用Matlab引擎连接Matlab和C/C，在实际应用中，C/C程序是客户端，Matlab是本地服务器。
C/C程序向Matlab计算引擎传递命令和数据信息，从Matlab计算引擎接收数据信息[2]。
Matlab提供了以下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。
用下面的C语言写的，调用Matlab引擎计算方程x3？以2x=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 h instance，HANDLE hPrevInstance，
LPSTR lpszCmdLine，int nCmdShow)
{
发动机* epmxArray *P=NULL，* r=NULL
充电缓冲器[301]；双poly[4]={ 1，0，-2，5 }；
如果(！(ep=engOpen(NULL)))
{fprintf( stderr， \n无法启动MATLAB引擎\ n )；返回EXIT _ FAILURE}
P=mxCreateDoubleMatrix( 1，4，MX real)；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 )，根])，r=根(p))；
Messagebox (null，buffer， example2展示MATLAB引擎的应用，MB _ OK)；
eng close(EP)；mxDestroyArray(P)；返回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：节省大量系统资源，应用程序整体性能较好，但无法脱离Matlab的环境运行，运行速度较慢。但对于一些特殊应用可以考虑[9](如三维图形显示)。
3.2 MCC编译器生成的cpp和hpp文件
Matlab自带的cc compiler-MCC可以把M文件转换成C/C代码。因此，它为C/C程序调用M文件提供了另一种方便的方法。以下是相应步骤的示例：
A.创建一个新的example3.m:函数y=ex maple 3(n)y=0；for I=1:n y=y I；目标
保存后，在命令窗口中输入：mcc -t -L Cpp -h example3。
在工作目录中生成了两个文件，example3.cpp和example3.hpp。
B.在VC中创建一个新的基于对话框的MFC应用程序Test2，添加一个按钮，并添加一个按钮响应函数。功能内容见步骤F。将上面生成的两个文件复制到VC项目的Test2目录下。
C.在VC中选择：项目-设置，选择属性表的链接选项，在下拉菜单中选择输入，在对象/库模块中添加libmmfile、libliblibmatlb、libliblibmx、libliblibmat、libliblibmatpm、libsgl、liblibmwsglm、liblibmwservices、lib。(使用Matlab图形库时需要添加后三种。)请注意，它们是用空格隔开的。并添加msvcrt.lib在忽略库中；
D.选择属性表C/C选项，从下拉菜单中选择General，保留预处理程序定义中的原始内容，添加MSVC、IBM PC和MSWind，用逗号分隔。从下拉菜单中选择预编译头选项，在“自动使用预补偿头”中添加stdafx.h，然后确认。
E.选择：工具-选项，在属性页选择“目录”，添加：c:\ MATLAB 6 p5p 1 p 1 \ extern \ include，c:\ MATLAB 6 p5p 1 p 1 \ extern \ include \ CPP；然后添加：c: \ matlab6p5p1p1 \ bin \ win32，c:\ MATLAB 6 p5p 1 p 1 \ extern \ lib \ win32 \ Microsoft \ msvc 60；注意用户的Matlab安装位置，并修改相应的目录。
F.将头文件添加到响应函数：# include MATLAB . HPP # include example 3 . HPP 该函数的响应代码为：
int I；mwArray n；n=10n=示例3(n)；I=n . extract scalar(1)；
CString字符串；str . format( example 3的返回值是：%d ，I)；AfxMessageBox(str)；
G.编译、连接和执行，结果如图2所示。
3.3 MCC编译器生成的DLL文件
Matlab的C编译器不仅可以将Matlab的M文件转换成C/C源代码，还可以完全脱离Matlab的运行环境生成独立的可执行DLL程序。所以在C/C程序中调用DLL就可以调用Matlab代码。下面用一个简单的例子来说明C/C调用M文件生成的DLL:
A.创建m文件example4.m:函数结果=example4 (para)
x=[1第3段]；y=[1 3 1]；plot( x，y)；结果=para * 2；结束。然后在命令窗口中输入：
MCC-t-w libhg:example4-t link:Li b-h libmmfile . mlib libmwsglm . mlib example 4生成三个文件，example 4。dll，示例4。11b和例4。在工作目录中。
B.在VC中创建新的基于对话框的应用程序Test3，然后添加一个按钮和按钮响应函数。函数内容见步骤D，然后将生成的三个文件复制到Test2项目目录下。
C.VC编译环境的设置如3.2节步骤c和d；
D.将以下头文件添加到按钮函数文件中：#include example4。h ，函数响应代码为：
mxArray * para=mxCreateDoubleScalar(2)；mxArray*结果；example 4 initialize()；
result=mlfexample 4(para)；CString字符串；
海峡。Format( %f ，mxGetScalar(result))；AfxMessageBox(str)；
E.编译、连接和执行，结果如图3所示。
mcc编译器生成的DLL动态链接库文件只需要包含在C/C编译环境中，通过调用export函数就可以实现原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文件两个方面详细研究了Matlab和C/C的混合编程技术。对于Matlab调用C/C代码，给出了常用的MEX技术和调用C/C动态链接库的方法，并进行了比较。针对用户在实际中C/C调用Matlab时经常遇到的问题，通过研究给出了三种常见的方法及其特点：使用Matlab计算引擎的方法，混合编程后的可执行程序无法脱离Matlab的运行环境，运行速度很慢；使用mcc编译器将M文件转换成C/C文件的方法，虽然可以独立于Matlab运行环境，但是可以将生成的文件包含在C/C环境中，非常复杂；而M文件生成的DLL给用户提供了一个简单方便的C/C调用Matlab代码的方法。除了Matlab自带的mcc，Matcom还可以把M文件编译成C/C文件和DLL文件[2][8]，不过混合编程的原理是一样的，这里就省略了。
MATLAB混合C/C编程调用C程序。
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耗时的函数可以用C语言实现，编译成mex函数来加速执行。Matlab本身没有C语言的编译器，所以要求你的机器上已经安装了VC，BC或者WatcomC中的一个。如果你在安装Matlab的时候已经设置了编译器，现在应该可以用mex命令来编译C语言的程序了。如果当时没选，在Matlab中输入mex-setup。按照下面的提示一步一步设置就可以了。请注意，早期版本的在设置编译器路径时只能使用8个字符形式的路径名。比如我用的VC安装在路径C:/PROGRAMFILES/DEVSTUDIO，那么设置路径时应该写成：“C:/PROGRA~1”。在此设置之后，可以执行mex。要测试您的路径设置是否正确，请将下面的程序另存为hello.c
/*hello.c*/
#包含“mex.h”
voidmexFunction(intnlhs，mxArray*plhs[]，intnrhs，constmxArray*prhs[])
{mexPrintf(你好，世界！/n’)；
}
假设你把hello.c放在C:/TEST/下，在Matlab中用CDC:/TEST/把当前目录改成C:/TEST/(注意，只是把C:/TEST/加到搜索路径上是没有用的)。现在敲门：
墨西哥城
如果一切顺利，编译应该会在编译器提示消息出现后正常退出。如果您添加了C:/TEST/
输入搜索路径，现在键入hello，程序将在屏幕上键入一行：
你好，世界！
在C/TEST/目录中查找，您将找到另一个文件：HELLO.DLL。这样，第一个mex函数就完成了。分析hello.c，可以看到程序的结构非常简单，整个程序由一个接口子进程mexFunction组成。
voidmexFunction(intnlhs，mxArray*plhs[]，intnrhs，constmxArray*prhs[])
如前所述，Matlab的mex函数有一定的接口规范，这意味着
Nlhs:输出参数数量
Plhs:输出参数的指针
Nrhs:输入参数数量
例如，使用
[a，b]=测试(c，d，e)
当调用mex函数测试时，传递给test的四个参数是
2，plhs，3，prhs
其中包括：
prhs[0]=c
prhs[1]=d
prhs[2]=e
当函数返回时，它会将你在plhs[0]和plhs[1]中的地址分配给A和B以返回数据。
请注意，您可能已经注意到prhs[i]和plhs[i]是指向mxArray类型数据的指针。这种类型是在mex.h中定义的，其实Matlab中的大部分数据都是以这种类型存在的。当然，还有其他数据类型。请参考Apiguide.pdf的介绍。
为了让大家更直观的了解参数传递的过程，我们重写hello.c，使其可以基于输入
输入参数的改变给出了不同的屏幕输出：
//hello.c2.0
#包含“mex.h”
voidmexFunction(intnlhs，mxArray*plhs[]，intnrhs，constmxArray*prhs[])
{
inti
I=mxGetScalar(prhs[0])；
如果(i==1)
MEX printf(‘你好，世界！/n’)；
其他
MexPrintf(大家好！/n’)；
}
编译完这个程序后，执行hello(1)，屏幕将键入：
你好，世界！
而hello(0)会得到：
大家好！
现在，程序hello可以根据输入的参数给出相应的屏幕输出。在这个程序中，除了屏幕输出函数mexPrintf(用法与C中的Printf函数几乎完全相同)之外，还使用了一个函数：mxGetScalar，调用如下：
I=mxGetScalar(prhs[0])；
“标量”是指标量。在Matlab中，数据以数组的形式存在。mxGetScalar的作用是将通过prhs[0]传递的mxArray类型的指针所指向的数据(标量)赋给C程序中的变量。这个变量应该是double类型的，它通过强制类型转换被赋给整形变量I。既然有标量，显然也应该有向量，否则矩阵无法传递。请看下面的程序：
//hello.c2.1
#包含“mex.h”
voidmexFunction(intnlhs，mxArray*plhs[]，
intnrhs，constmxArray*prhs[])
{
int * I；
I=mxGetPr(prhs[0])；
if(i[0]==1)
MEX printf(‘你好，世界！/n’)；
其他
MexPrintf(大家好！/n’)；
}
这样通过mxGetPr函数从指向mxArray类型数据的prhs[0]中获得指向double类型的指针。
但是，还有一个问题。如果输入的不是单个数据，而是向量或矩阵，该怎么办？我们只能通过mxGetPr得到这个矩阵的指针。如果我们不知道这个矩阵的确切大小，我们会
无法计算。
为了解决这个问题，Matlab提供了mxGetM和mxGetN两个函数来获取传入参数的行数和列数。下面这个例程的功能很简单，就是获取输入矩阵并显示在屏幕上：
//show.c1.0
#包含“mex.h”
voidmexFunction(intnlhs，mxArray*plhs[]，intnrhs，constmxArray*prhs[])
{
双*数据；
intM，N；
inti，j；
data=mxGetPr(prhs[0])；//获取指向矩阵的指针
m=MX getm(prhs[0])；//获取矩阵中的行数
n=MX getn(prhs[0])；//获取矩阵的列数
for(I=0；我我)
{ for(j=0；j j)
mexPrintf(%4.3f ，data[j * M I])；
MEX printf(/n )；
}
}
编译后，用以下命令测试它：
a=1:10；
b=[a；a1]；
显示(a)
显示(b)
需要注意的是，在Matlab中，矩阵的第一行从1开始，而在C语言中，第一行的序数是零。Matlab中的矩阵元素b(i，j)传递给c中的一维数组大数据后对应的是数据[j*M i]。
在调用函数之前，输入数据已经被应用到Matlab的内存中。因为mex函数与Matlab共享同一个地址空间，所以可以通过传递prhs[]中的指针来达到参数传递的目的。但是输出参数需要在mex函数中申请内存空间，这样指针才能放在plhs[]中并传递出去。由于返回指针类型必须是mxArray，Matlab特别提供了一个函数：mxCreateDoubleMatrix来实现内存的应用。该函数的原型如下：
mxArray * mxCreateDoubleMatrix(intm，intn，mxComplexityComplexFlag)
m:要应用的矩阵的行数
n:要应用的矩阵的列数
在为矩阵申请内存后，你得到一个mxArray类型的指针，可以放在plhs[]中并传递回来。但是，这个新矩阵的处理必须在函数内部完成，所以我们需要使用前面介绍的mxGetPr。使用mxGetPr得到指向这个矩阵中数据区的指针(double type)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show.c的基础上稍加改动，功能就是输。
//reverse.c1.0
#包含“mex.h”
voidmexFunction(intnlhs，mxArray*plhs[]，
intnrhs，constmxArray*prhs[])
{
double * inData
double * outData
intM，N；
inti，j；
in data=mxGetPr(prhs[0])；
m=MX getm(prhs[0])；
n=MX getn(prhs[0])；
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M，N，MX real)；
out data=mxGetPr(plhs[0])；
for(I=0；我我)
for(j=0；j j)
out data[j * M I]=in data[(N-1-j)* M I]；
}
当然Matlab使用的矩阵不仅仅是double，还有字符串型、稀疏型、结构型矩阵等等，并提供了相应的处理函数。在本文中，我们使用了一些在mex编程中最常遇到的函数，其余的细节请参考Apiref.pdf。
通过前两部分的介绍，我们应该对参数的输入输出方法有一个基本的了解。有了这些知识，你就可以满足一般的编程需求了。但是，这些程序仍然有一些小缺陷。前面介绍的re容错性差是因为前面的程序没有检查输入输出参数的数量和类型，而后面的程序容错性更好。
#包含“mex.h”
voidmexFunction(intnlhs，mxArray*plhs[]，intnrhs，constmxArray*prhs[])
{
double * inData
double * outData
intM，N；
//异常处理
//异常处理
如果(nrhs！=1)
mexErrMsgTxt(用法：b=reverse(a)/n )；
如果(！mxIsDouble(prhs[0]))
mexermsgtxt( theInputMatrixmustbedouble！/n’)；
in data=mxGetPr(prhs[0])；
m=MX getm(prhs[0])；
n=MX getn(prhs[0])；
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M，N，MX real)；
out data=mxGetPr(plhs[0])；
for(I=0；我我)
for(j=0；j j)
out data[j * M I]=in data[(N-1-j)* M I]；
}
在上面的异常处理中，使用了两个新的函数：mexErrMsgTxt和mxIsDouble。MexErrMsgTxt给出错误提示并退出当前程序。MxIsDouble用于确定mxArray中的数据是否是Double。当然，Matlab也提供了很多判断其他数据类型的函数，这里就不赘述了。
需要注意的是，在Matlab提供的API中，有两个函数前缀：mex-和mx-。带有mx- prefix的函数大多是对mxArray数据进行操作的函数，如MxISDOUBLE、MxCreateDoubleMatrix等。而那些带有mex前缀的多为与Matlab环境交互的函数，如mexPrintf、mxErrMsgTxt等。了解这一点有助于在Apiref.pdf找到所需的功能。
至此，介绍了用C写mex函数的基本过程。
出发地：http://blog.csdn.net/jtop0/article/details/7657227
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