关于matlab与C语言的混合编程

摘要：本文着重描述了运用MATLAB命令将M文件翻译为C语言程序，并修改为可直接调用的C语言函数的方法，使用该方法所需要注意的方法局限性和MATLAB版本差异的影响。运用该方法将能够使C语言能直接使用MATLAB当中已经完成的数学计算功能，大大扩充了C语言的数学计算功能和开发效率。

　　关键词：MATLAB；M文件；C语言接口 

　　众所周知，MATLAB是一个功能强大的数学软件，擅长于用矩阵运算完成各种数学功能。但是其程序需要在MATLAB环境下解释执行，效率不高。如果能将它强大的函数库用于C语言，利用C来编译执行，MATLAB将能发挥更大的作用。所以，MATLAB从5.0开始已经提供了与外部C/C++程序的应用程序接口，为利用C语言调用MATLAB的函数提供了可能。但是MATLAB的接口发展很快，到MATLAB 6.5已经提供了对VC 7.0的支持，同时对C的接口相对于5.X版本有了一定的改变。

　　在MATLAB当中，我们利用M文件来实现函数，每一个M文件实现一个单独的功能，这一点和C语言当中的函数是相互对应的。所以，如果我们能将MATLAB中的M文件转化为C语言下的一个单个函数，就能实现MATLAB中相应的功能。

　　实现方法

　　整个过程可分为三个主要部分，用MATLAB将M文件翻译为C语言文件，从生成的C语言文件提取出有用语句，编写数据转换程序实现参数格式转换。整个过程最终将把M文件翻译成C语言当中的一个具有相同功能的函数，供其它的程序调用。

　　本文用一个最简单的M文件来示例：

　　文件名：messay.m

function c=messay()
a=3.4;
b=5.6;
c=sqrt(a)+sqrt(b); 

　　该m文件实现了计算 

　　1、将M文件编译为C语言文件

　　为了将M文件翻译为C语言文件，需要进行一定的设置，这里假设编写C语言的环境为VC6.0，在MATLAB命令提示符下输入mex -setup和mbuild -setup命令，在相应选项中选择Microsoft Visual C/C++即可。

　　在MATLAB命令行中使用mcc命令将messay.m翻译为C代码。

mcc -m messay.m 

　　其中的参数-m代表mcc命令将把m文件翻译成C语言的代码。

　　翻译命令将在messay.m所在的文件夹下生成三个C语言文件：messay.h，messay.c和messay_main.c。其中messay_main.c提供了main()函数；messay.h提供了整个程序的函数声明；messay.c包含了MATLAB生成的功能函数。这三个文件当中，messay.c中包含了我们所需要的数学函数。

　　2、提取有用语句

　　通过分析，发现由mcc生成的代码内部参数传送方式由MATLAB链接库规定，难以改动，因此需要提取有用的代码，并更改生成代码的参数传递方式。同时从生成代码的注释中可以看出，真正蕴含M文件功能实现的代码段都在Mmessay()函数当中（该函数名的默认构造方式为前缀M加上M文件的文件名），而其它的生成函数仅实现参数传递和标准化接口服务的功能。

　　所以提取代码的具体方法是利用messay.c当中生成的static mxArray * Mmessay(int nargout_)函数，对该函数进行修改，而其他的生成函数都可以忽略不用。原生成的Mmessay()代码如下：

static mxArray * Mmessay(int nargout_) {
　mexLocalFunctionTable save_local_function_table = mclSetCurrentLocalFunctionTable(&_local_function_table_messay);
　mxArray * c = NULL;
　mxArray * b = NULL;
　mxArray * a = NULL;
　mlfAssign(&a, _mxarray0_);
　mlfAssign(&b, _mxarray1_);
　mlfAssign(&c, mclPlus(mlfSqrt(mclVv(a, "a")), mlfSqrt(mclVv(b, "b"))));
　mclValidateOutput(c, 1, nargout_, "c", "messay");
　mxDestroyArray(a);
　mxDestroyArray(b);
　mclSetCurrentLocalFunctionTable(save_local_function_table_);
　return c;
} 

　　在生成代码当中，mclSetCurrentLocalFunctionTable和mclSetCurrentLocalFunctionTable函数为两个外部函数，将参数传给外部，与其相关的部分都对C程序使用数学函数没有影响。最终实际有用并执行运算的只有一句：

mlfAssign(&c, mclPlus(mlfSqrt(mclVv(a, "a")), mlfSqrt(mclVv(b, "b")))); 

　　实际上，由MATLAB翻译的C语句中，大部分的和实际计算有关的语句和自生成的函数都以mlf开头，所以寻找有用语句的简单方法就是直接寻找mlf为前缀的代码。

　　3、参数格式转换

　　应当指出，MATLAB所有的计算都是基于一种名为mxArray的数据结构之上的，所有的浮点数、向量或者是矩阵在MATLAB当中都是通过mxArray结构来进行存储和传递的。当然，MATLAB所提供的所有数学函数也都是基于这样一种数据结构进行运算的。所以，要使用MATLAB的生成代码，就必须将C语言当中常用的浮点数和整数转换为mxArray结构。

　　本例中利用MATLAB函数mxArray *mlfScalar(double v)和函数double *mxGetPr(mxArray *)来实现参数格式转换。函数mlfScalar()将double型变量存入一个新建的mxArray结构中，并返回指针，而函数mxGetPr()将mxArray结构保存的实数的实部取出。至于其它参数转换方法可参看参考文献3中的相关部分。

　　最终可以编写这样一个利用了MATLAB数学函数并实现计算的函数：

double Mmessay(double ina, double inb) {
　mxArray *a,*b,*c; //三个用于MATLAB数学函数计算的参数
　double *outc; //计算结果变量 
　a=mlfScalar((double)ina); //利用mlfScalar()进行类型转换
　b=mlfScalar((double)inb);
　mlfAssign(&c, mclPlus(mlfSqrt(mclVv(a, "a")), mlfSqrt(mclVv(b, "b"))));
　outc=mxGetPr(c); //c获得结果的实部，即结果
　mxDestroyArray(a); //释放空间
　mxDestroyArray(b);
　mxDestroyArray(c);
　return *outc;
} 

　　到此，整个翻译过程完成，但是还不能直接调用。在这个函数当中运用到了MATLAB的数学库函数mlfSqrt()、mlcPlus()和数据转换函数mlfScalar()、mxGetPr()。由于这些函数是固化在链接库当中的，为了连接执行，必须加入几个库文件和几个静态链接库lib文件。所需要的库文件为mcc命令生成的messay.c文件当中所加入的库文件，一般为libmatlb.h，而需要加入的静态链接库文件如下：

libmat.lib，libmatlb.lib，libmex.lib，libmx.lib 

　　如果没有以上文件，可以用VC的lib命令将MATLAB相应的def文件转化为lib文件，转化格式为lib /def:filename.def /machine:ix86 /out:filename.lib。