Matlab与C/C++ 混合编程技术总结的太棒了

　　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。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。但与其他高级程序相比，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。
　　C/C++语言是目前最为流行的高级程序设计语言之一。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：
　　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”。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。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。
　　Matlab 提供了以下几个C 语言计算引擎访问函数供用户使用：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 #include
　　#include #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={1，0，-2，5};
　　if （！（ep=engOpen（NULL）））
　　{fprintf（stderr，“/nCan‘t start MATLAB engine/n”）; 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（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:/MATLAB6p5p1/extern/include ， C:/MATLAB6p5p1/extern/include/cpp ； 然后在 Library files 里面加入： C:/MATLAB6p5p1/bin/win32 ， C:/MATLAB6p5p1/extern/ lib/win32/microsoft/msvc60；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，但混合编程 原理一样，在此省略。