Matlab與C/C++混合編程接口及應用方法

1 引言

Matlab 是當前應用最為廣泛的數學軟件，具有強大的數值計算、數據分析處理、系統 分析、圖形顯示甚至符號運算等功能[1]。利用這一完整的數學平臺，用戶可以快速實現十分 復雜的功能，極大地提高工程分析計算的效率[2][3]。但與其他高級程序[3]相比，Matlab 程序 是一種解釋執行程序，不用編譯等預處理，程序運行速度較慢[4]。

C/C++語言是目前最為流行的高級程序設計語言之一[5]。它可對操作系統和應用程序以 及硬件進行直接操作，用C/C++語言明顯優于其它解釋型高級語言，一些大型應用軟件如 Matlab 就是用C 語言開發的。
在工程實踐中，用戶經常遇到Matlab 與C/C++混合編程的問題。本文基于Matlab 6.5和VC6.0 開發環境，在Windows 平臺下就它們之間的混合編程問題進行深入研究并舉例說明。

2 Matlab 調用C/C++

Matlab 調用C/C++的方式主要有兩種：利用MEX 技術和調用C/C++動態連接庫。

在Matlab 與C/C++混合編程之前，必須先對Matlab 的編譯應用程序mex 和編譯器mbuild進行正確的設置[1]：
對Matlab 編譯應用程序mex 的設置：Mex –setup.
對Matlab 編譯器mbuild 的設置：Mbuild –setup.

2.1 調用C/C++的MEX 文件

MEX 是Matlab Executable 的縮寫，它是一種“可在Matlab 中調用的C(或Fortran)語 言衍生程序”[6]。MEX 文件的使用極為方便，其調用方式與Matlab 的內建函數完全相同，只 需在Matlab 命令提示符下鍵入MEX 文件名即可。

一個C/C++的MEX源程序通常包括4個組成部分，其中前3個是必須包含的內容，第4個則根據所實現的功能靈活選用:(1)#include “mex.h”;(2)MEX文件的入口函數mexFunction, MEX文件導出名必須為mexFunction函數;(3)mxArray;(4)API函數

通過簡單的例子說明C/C++的MEX 源程序編寫和調用過程:
#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 編譯此文件，然后在MATLAB 命令行下調用生成的MEX 文件即可。

2.2 調用C/C++動態連接庫

Matlab 提供對動態連接庫DLL 文件的接口[7]。利用該接口，可在Matlab 中調用動態連 接庫導出的函數。Matlab 對DLL 的接口支持各種語言編寫的DLL 文件。在調用DLL 文件之 前，需要準備函數定義的頭文件。對于C/C++語言開發的DLL 文件，可使用源程序中相應的 頭文件；而對于其他語言開發的DLL，則要手工準備等效的C 語言函數定義頭文件。

在Matlab 中利用動態連接庫接口技術通常需要完成以下4 個步驟：

(1)打開動態連接庫文件；(2)為調用函數準備數據；(3)調用動態連接庫文件中導出的 函數；(4)關閉動態連接庫文件。

為了實現以上步驟，用到的Matlab 函數有：loadlibrary,loadlibrary,calllib,
libfunctions,lipointer,libstruct,libisloaded。下面舉例說明Matlab 調用C/C++動態 連接庫的方法和步驟：

a.在VC 環境下，新建工程->win32 動態連接庫->工程名Test1->empty 工程->完成；

b.新建->C++源文件->添加a.cpp,內容為: #include a.h
_declspec(dllexport) int add(int a, int b) { return a+b; }
c.新建->C/C++頭文件->添加a.h，內容為： _declspec(dllexport) int add(int a,intb);然后編譯生成Test1.dll 動態連接庫文件，將Test1.dll 和a.h 拷到Matlab 工作目錄下。
d.在Matlab 命令行下，調用Test.dll：>>loadlibrary(‘Test1’,’a.h’); >>x=7;
>>y=8; >>calllib(‘Test1’,‘add’,x,y); Ans=15 >>unloadlibrary(‘Test1’).

調用DLL 動態連接庫的方法，為Matlab 重用工程實踐中積累的大量實用C/C++代碼提供了一種簡潔方便的方法。與調用MEX 文件相比，該方法更加簡便實用。

3 C/C++調用Matlab

在工程實踐中，C/C++調用Matlab 的方法主要有調用Matlab 計算引擎、包含m 文件轉 換的C/C++文件，以及調用m 文件生成的DLL 文件。

3.1 利用Matlab 計算引擎

Matlab 的引擎庫為用戶提供了一些接口函數，利用這些接口函數，用戶在自己的程序 中以計算引擎方式調用Matlab 文件。該方法采用客戶機/服務器的方式，利用Matlab 引擎 將Matlab 和C/C++聯系起來。在實際應用中，C/C++程序為客戶機，Matlab 作為本地服務器。

C/C++程序向Matlab 計算引擎傳遞命令和數據信息，并從Matlab 計算引擎接收數據信息[2]。
Matlab 提供了以下幾個C 語言計算引擎訪問函數供用戶使用[8]：engOpen，engClose， engGetVariable，engPutVariable，engEvalString，engOutputBuffer，engOpenSingleUse， engGetVisible，engSetVisible。

下面以C 語言編寫的、調用Matlab 引擎計算方程x3 ?2x+5=0根的源程序example2.c 為 例，說明C/C++調用Matlab 計算引擎編程的原理和步驟：

#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(['多項式',poly2str(p,'x'),'的根']),r=roots(p));
MESSageBox(NULL,buffer,example2 展示MATLAB 引擎的應用,MB_OK);
engClose(ep); mxDestroyArray(P); return EXIT_SUCCESS; }

在Matlab 下運行example2.exe: mex -f example2.c。運行結果如圖1 所示：

利用計算引擎調用Matlab的特點是：節省大量的系統資源，應用程序整體性能較好，但 不能脫離Matlab的環境運行，且運行速度較慢，但在一些特別的應用[9]（例如需要進行三維 圖形顯示）時可考慮使用。

3.2 利用mcc 編譯器生成的cpp 和hpp 文件

Matlab自帶的C++Complier--mcc，能將m文件轉換為C/C++代碼。因此，它為C/C++程序調用m文件提供了另一種便捷的方法。下面舉例說明相應步驟：

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輸入：mcc -t -L Cpp -h example3.
則在工作目錄下生成example3.cpp 和example3.hpp 兩個文件。

b.在VC 中新建一個基于對話框的MFC 應用程序Test2，添加一個按鈕，并添加按鈕響應函數，函數內容見f 步。將上面生成的兩個文件拷貝到VC 工程的Test2 目錄下。

c.在VC 中選擇：工程->設置，選擇屬性表Link 選項，下拉菜單中選擇Input，在對象 / 庫模塊中加入lIBMmfile.lib libmatlb.lib libmx.lib libmat.lib libmatpm.lib sgl.lib libmwsglm.lib libmwservices.lib ， 注意用空格分開； 而在忽略庫中加入 msvcrt.lib；

d.選擇屬性表C/C++選項，下拉菜單選General，在預處理程序定義中保留原來有的內 容，并添加MSVC,IBMPC,MSWIND，并用逗號隔開。選擇下拉菜單的Precompiled Headers 選 項，在“自動使用預補償頁眉”中添加stdafx.h，然后確定。

e. 選擇: 工具-> 選項， 屬性頁選擇“ 目錄” ， 在include files 加入： C:MATLAB6p5p1externinclude ， C:MATLAB6p5p1externincludecpp ； 然后在 Library files 里面加入： C:MATLAB6p5p1binwin32 ， C:MATLAB6p5p1extern libwin32microsoftmsvc60；注意根據用戶的Matlab 安裝位置，修改相應目錄。
f.在響應函數中添加頭文件：#include matlab.hpp #include example3.hpp 函數響應代碼為：
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. 編譯，連接，執行，結果如圖2 所示。


3.3 利用mcc 編譯器生成的的DLL 文件

Matlab的C++ Complier不僅能夠將Matlab的m文件轉換為C/C++的源代碼，還能產生完全 脫離Matlab運行環境的獨立可執行DLL程序。從而可以在C/C++程序中，通過調用DLL實現對 Matlab代碼的調用。下面通過一個簡單的例子說明C/C++調用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.然后在命令窗口中輸入：
mcc -t -W libhg:example4 -T link:lib -h libmmfile.mlib libmwsglm.mlib example4則在工作目錄下會生成example4 .dll、example4 .lib和example4 .h三個文件。

b.在VC中新建一個基于對話框的應用程序Test3，然后添加一個按鈕及按鈕響應函數，函數內容見d步，再將生成的3個文件拷貝到Test2工程目錄下。

c.VC編譯環境的設置如同3.2節c、d步；

d.在按鈕函數文件添加如下的頭文件：#include example4 .h ，函數響應代碼為：
mxArray* para=mxCreateDoubleScalar(2); mxArray* result; example4Initialize();
result=mlfExample4(para); CString str;
str.Format(%f,mxGetScalar(result)); AfxMessageBox(str);
e.編譯，連接，執行，結果如圖3所示。

利用mcc 編譯器生成的DLL 動態連接庫文件，只需在C/C++編譯環境中將其包含進來， 調用導出函數即可實現原m 文件的功能，極大地方便了用戶的代碼設計。

4 結束語

本文從Matlab 調用C/C++代碼和C/C+調用m 文件兩方面，詳細地研究了Matlab 與C/C++ 混合編程技術。對于Matlab 調用C/C++代碼，給出了常用的MEX 技術和調用C/C++動態連接 庫的方法，并對它們進行比較。針對用戶在實際中經常遇到的C/C++調用Matlab 問題，通過研究給出了常用的三種方法及其特點：利用Matlab 計算引擎的方法，混合編程后的可執 行程序脫離不了Matlab 的運行環境，運行速度很慢；利用mcc 編譯器將m 文件轉化為C/C++ 文件的方法，雖然能獨立于Matlab 運行環境，可在C/C++環境中包含生成的文件非常繁瑣； 但是m 文件生成的DLL 為用戶提供了一種簡潔方便的C/C++調用Matlab 代碼的方法。除 Matlab 自帶的mcc 外，Matcom 也能將M 文件編譯為C/C++文件和DLL 文件[2][8]，但混合編程 原理一樣，在此省略。