C/C++与Matlab混合编程初探

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     Matlab 拥有丰富的功能,编程简单。不过,有些情况下,Matlab程序的执行速度比较慢。C/C++编译执行的程序速度比较快,编程难度上比Matlab要高一些。因此存在一种方案,就是使用Matlab实现我们的实验程序,用C/C++来实现Matlab程序中比较耗时的部分,从Matlab程序中调用C/C++的程序以实现加速。

     本文主要讲解如何在Matlab中调用C/C++的程序,以及如何编写可供Matlab程序调用的C/C++程序。

     本文主要分以下几部分:

     Hello Matlab,用一个简单的例子来说明如何在Matlab中调用C/C++的程序,以及可供Matlab调用的C/C++程序应该注意哪些基本事项。

     Matlab调用C/C++程序传递参数。讨论在C/C++中是如何使用Matlab传来的参数的。

     Matlab与C/C++混合编程的方法论。给出在一般情况下使用Matlab与C/C++混合编程的方法步骤,让大家有一个较为清晰的应用此技术的思路。

     关于数据存储的说明。说明数据在Matlab中的存储方式。

     注意:本文认为读者会使用Matlab,掌握C/C++语言,并且有一台计算机。计算机上安装有Windows的操作系统,操作系统上装有Matlab以及Visual Studio(比如VS2008,VS2010等)。或者计算机上安装有Linux的操作系统,系统上装有Matlab,GCC。


hello Matlab

     我们一步步完成一个叫“Hello Matlab”的程序。

     第一步:在你的计算机D盘下,创建一个目录命名为HiMat。在D:\HiMat目录下创建一个文本文件,命名为“abhimat.cpp”。将Code 1中的代码拷贝到“abhimat.cpp”文件中,保存。(注意,这里建立目录以及命名等行为不是规定的,只是为了讲解方便)。

#include "mex.h"
void mexFunction (int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
  mexPrintf("hello matlab in C/CPP.\n");
}
Code 1, abhimat.cpp

     “abhimat.cpp”就是将要在Matlab中被调用的C/C++代码。

     第二步:在Matlab中编译“abhimat.cpp”。启动Matlab,进入D:\HiMat目录,在Matlab命令窗口中执行code 2中的命令,根据提示完成C/C++编译环境的配置。注意:如果你有多个编译器,建议选择最新的。

mex -setup
Code 2, 设置Matlab的C/C++编译环境

     完成配置后,在Matlab中执行Code 3的命令来编译abhimat.cpp。

mex abhimat.cpp
Code 3, 编译abhimat.cpp

    第三步:执行编译后的C/C++程序。在Matlab命令窗口输入“abhimat”或者”abhimat()”,都可以调用编译后的程序,推荐使用后者。

     细心的读者已经注意到了:

  • 在Matlab中调用的C/C++函数名就是编译后以mex*(这里,*表示任意多个字符,例如mexw64)为后缀名的文件名。
  • Matlab执行abhimat()命令后,实际执行的是mexFunction函数中的程序。

Matlab调用C/C++程序传递参数


    此节我们讨论下,在供Matlab调用的C/C++程序中,我们是如何知道Matlab调用的参数类型、个数的。

    给出Matlab中调用C/C++程序的一个实例,如code 4所示。

c = [1 2;3 4;5 6];
d = [1 1;1 1;1 1];
[a, b] = abfunc(c, d);
Code 4, Matlab调用C/C++程序实例

    下面的工作是如何在当前目录下一个命名为abfunc.cpp的文件中实现mexFunction函数。在这个函数中如何获得Matlab命令中的c、d两个变量的值,如何返回a、b两个变量呢。

    注意mexFunction函数中的四个参数,一一作出说明:

    nlhs:mexFunction的第一个参数,它指示Matlab的调用命令中等号左侧有几个变量。例如,code 4中的调用,nlhs的值为2,因为它的等号左侧有两个变量,他们是a和b。

    plhs: mexFunction的第二个参数,它指示Matlab的调用命令中等号左侧变量的指针。例如,code 4中的调用,plhs[0]表示的是a,plhs[1]表示的是b。

    nrhs:mexFunction的第三个参数,它指示Matlab的调用命令中等号右侧的变量个数。例如,code 4中的调用,nrhs的值为2,因为它的等号右侧有两个变量,他们是c和d。

    prhs:mexFunction的第四个参数,它指示Matlab调用命令中等号右侧的变量指针。例如,code 4中的调用,prhs[0]表示的是c,prhs[1]表示的是d。

    mxArrary是一个不可见的数据类型,是Matlab定义的,大家只需要知道mxArrary的指针与Matlab中的变量一一对应就可以了。

    下面实现abfunc.cpp,功能是a=c+d; b = c-d;具体代码如code 5所示。

#include "mex.h"
void mexFunction (int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
  double *p_c, *p_d;
  double *p_a, *p_b;

  int c_rows, c_cols;
  int d_rows, d_cols;
  
  int numEl;
  int n;
  
  mxAssert(nlhs==2 && nrhs==2, "Error: number of variables");

  c_rows = mxGetM(prhs[0]);// get rows of c
  c_cols = mxGetN(prhs[0]);// get cols of c
  d_rows = mxGetM(prhs[1]);// get rows of d
  d_cols = mxGetN(prhs[1]);// get cols of d

  mxAssert(c_rows==d_rows && c_cols==d_cols, "Error: cols and rows");

  // create output buffer
  plhs[0] = mxCreateDoubleMatrix(c_rows, c_cols, mxREAL);
  plhs[1] = mxCreateDoubleMatrix(c_rows, c_cols, mxREAL);

  // get buffer pointers
  p_a = (double*)mxGetData(plhs[0]);
  p_b = (double*)mxGetData(plhs[1]);
  p_c = (double*)mxGetData(prhs[0]);
  p_d = (double*)mxGetData(prhs[1]);

  // compute a = c + d; b = c - d;
  numEl = c_rows*c_cols;
  for (n = 0; n < numEl; n++)
  {
    p_a[n] = p_c[n] + p_d[n];
    p_b[n] = p_c[n] - p_d[n];
  }
}
Code 5,  abfunc.cpp的实现

    说明一下code 5中用到的函数。这些函数大都以mx开头。mxAssert是断言,类似于C\C++中的assert。mxGetM获得Matlab传来的变量的行数,mxGetN获得Matlab传来的变量的列数。mxCreateDoubleMatrix创建一个2维的Matlab变量,形参分别用于指定变量的行数、列数、元素类型(mxREAL表示实数,mxCOMPLEX表示复数)。mxGetData用于获得内存中数据块的首地址。

    编译并测试Code 5中的代码,参见Code 6。

mex abfunc.cpp
c = [1 2;3 4;5 6];
d = [1 1;1 1;1 1];
[a, b] = abfunc(c, d);
Code 6, Code5的测试代码

    Code 6的输出结果如下:

a =
     2     3
     4     5
     6     7
b =
     0     1
     2     3
     4     5



关于数据存储的说明

   Matlab中的数据是按列存储的。例如,a=[1,2;3,4;5,6],a的数据在内存中的存储顺序是:1、3、5、2、4、6。在C\C++中使用Matlab传来的变量时,一定要注意数据的存储顺序


Matlab与C/C++混合编程的方法论

鉴于@编程小手 的建议,添加一个关于使用此方法的方法论流程图。希望它能让各位明白在什么情况下可是使用这种混合编程的技术、如何一步步实现。参见图1的流程图:

C/C++与Matlab混合编程初探_第1张图片

图 1、Matlab与C/C++混编方法论流程图

另附:文中代码下载位置: http://download.csdn.net/detail/bendanban/7643701


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