Matlab与C/C++混合编程 Matlab调用C函数

时间：2022-09-22 09:12:01

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Matlab与C/C++混合编程有很多种方式，分别适用于不同的情况。

  1. 程序主体用Matlab编写，有一些特别耗时的函数用C/C++改写来提高效率，或者已经有现成的C/C++函数，应用到Matlab程序中（本文属于这种情况）
  2. 程序主体用C/C++编写，部分程序想调用Matlab函数减少开发时间，本文不涉及这种情况，建议读者自行查阅Matlab帮助文档

一点点废话

Matlab有着非常详细的帮助文档，建议直接阅读其帮助文档，市面上很多Matlab书籍都是简单的翻译翻译帮助文档，例子都是照抄，还有很多错误和断章取义的地方，参考这样的书籍容易被带上弯路。

打开Matlab，按F1打开帮助，此部分内容在：

MATLAB->Advanced Software Development->MATALB API for Other Languages

什么是MEX-file

简单来说MEX-file是一种预编译的，用其他语言（C/C++,Fortran）编写的函数库，可以直接被Matlab调用。

正如前面提到的，这种方式适用于两种情况：

  1. 程序中有一部分代码耗时巨大，想通过改写这部分函数提高速度
  2. 已经有大量C/C++或Fortran的函数库，想直接用Matlab调用，避免重复开发

这两种情况用MEX-file的这种方案来解决都是非常合适的，因为这种调用方式非常方便，你需要注意地只是数据结构的转换。这种方式支持C/C++和Fortran，本文主要将C/C++。

如何创建可供Matlab直接调用的MEX-file

1.安装Matlab支持的编译器

在Matlab命令窗口输入：

mex -setup

如果你的电脑已经安装了Matlab支持的编译器，这时候你应该会看到设置编译器的提示命令，跟着一步步下去就可以了。

注意：如果你电脑只安装了一个支持的编译器，这一步会自动用此编译器进行配置，如果有多个支持的编译器，Matlab会引导你选择要使用哪个编译器。 如果你电脑没有安装合适的编译器，会得到一个错误，提示你安装合适的编译器，并给出一个支持编译器列表的链接。

2.创建.c/.cpp文件

这一步可以用Matlab的编辑器也可以用其他你喜欢的编辑器，需要注意的是： 将来在Matlab中调用的函数名即为此处你创建的文件名，而不是文件内的函数名

MEX-file的内容

一个完整的MEX-file应该包括：

  • #include <mex.h> MEX-file头文件
  • mexFunction 入口函数（C/C++中的main函数）
  • 输入输出的数据的校验
  • 变量的传递
  • 你自己编写的功能函数

mexFunction 入口函数

void mexFunction( int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[]);

此函数是MEX-file的入口函数，形式比较固定，起着C/C++语言中main函数的作用，建议放在整个文件的最后。

mexFunction函数中一般只做数据的转换和其他函数的调用，不做复杂的处理。

  • prhs -函数右侧，输入参数
  • plhs -函数左侧，输出参数
  • nrhs -函数右侧，输入参数的个数
  • nlhs -函数左侧，输出参数的个数

例如：在Matlab中用[a,b]=myMEX(c,d,e)的形式调用的函数，则nrhs==3 代表有三个输入参数，nlhs==2代表有两个输入参数，参数值分别储存在prhs和plhs中。 输入输出数据的校验

这一部分建议放在mexFunction里面，校验输入输出参数的个数是否符合要求，校验输入参数的类型是否符合要求。

这里的输入参数是 只读 的，不要尝试更改，不然会引起错误。

创建一个可更改的输入参数的副本myData并调用mxDuplicateArray函数：

mxArray *myData = mxCreateStructMatrix(1,1,nfields,fnames); mxSetField(myData,0,"myFieldName",mxDuplicateArray(prhs[0]));

对于输入参数类型的校验可以用mxIsClass中的函数来进行：

if(mxIsSparse(prhs[1])||mxIsComplex(prhs[1])||mxIsClass(prhs[1],"char")) { mexErrMsgTxt("input2 must be full matrix of real values."); }

完整的mxIsClass函数列表见附录。

3.变量的传递

这一部分主要涉及如何将输入参数中的数据传出，并且用C/C++的数据结构来表示，以及如何构建输出参数，将运算结果传回Matlab。

由于Matlab中数据结构种类比较多，且比较复杂，这里并不会一一涉及，只介绍几种比较常用的数据类型，其他数据类型大家可以自行查阅Matlab帮助文档。

以下的示例代码都假设你需要传递的输入参数是第一个，如果为其他，只需修改prhs的角标即可

标量的传递

size_t mrows; //行数 size_t ncols; //列数 double scalar; //接收输入参数的变量 mrows = mxGetM(prhs[0]); //获取矩阵行数 ncols = mxGetN(prhs[0]); //获取矩阵列数 /*校验输入是否是一个标量*/ if( !mxIsDouble(prhs[0]) || mxIsComplex(prhs[0]) || !(mrows==1 && ncols==1) ) { mexErrMsgIdAndTxt( "MATLAB:timestwo:inputNotRealScalarDouble","Input must be a noncomplex scalar double."); } scalar = mxGetScalar(prhs[0]); //获取标量值

矩阵的传递

size_t mrows; //行数 size_t ncols; //列数 mxArray *inMat; //接收输入参数的指针 mrows = mxGetM(prhs[0]); //获取矩阵行数 ncols = mxGetN(prhs[0]); //获取矩阵列数 /*校验输入是否是一个3*4的double矩阵 矩阵维数的校验也可以去掉（相应的你的处理函数要有处理不同大小矩阵的能力）*/ if( !mxIsDouble(prhs[0]) || mxIsComplex(prhs[0]) || !(mrows==3 && ncols==4) ) { mexErrMsgIdAndTxt( "MATLAB:timestwo:inputNotRealScalarDouble", "Input must be a noncomplex double matrix."); } /*获取输入矩阵的指针*/ inMat = mxGetPr(prhs[0]);

为输出变量分配内存并传递给mexFunction的输出参数

mxArray *outMat; outMat = mxCreateDoubleMatrix((mwSize)mrows,(mwSize)ncols,mxREAL); plhs[0] = outMat;

这里需要注意的是Matlab中矩阵的储存是列优先的，而C语言中是行优先的，在调用矩阵元素时需要注意：

double result; /* 将iMat中的第 i行 j列的元素值赋给result */ result = inMat[j*mrows+i]

为输出变量分配内存并传递给mexFunction的输出参数

mxArray *outMat; outMat = mxCreateDoubleMatrix((mwSize)mrows,(mwSize)ncols,mxREAL); plhs[0] = outMat;

字符串的传递

将输入参数转换为C-type的string

string input_buf; input_buf = mxArrayToString(prhs[0]);

为输出字符串分配内存

string output_buf; output_buf=mxCalloc(buflen, sizeof(char));

将输出字符串传递给输出参数

plhs[0] = mxCreateString(output_buf);

最后释放内存

mxFree(input_buf);

Structure和Cell类型的传递

Structure和Cell类型的传递其实与其他类型相似，他们是mxArray类型。

mxGetField和mxGetCell函数可以用来获取指向Structure和Cell类型内容的mxArray类型的指针。

mxGetNumberOfFields和mxGetNumberOfElements可以用来获取Structure的条目的个数和元素的个数。

mxGetData函数可以用来获取mxArray变量中包含的数据。

因为Matlab中Cell的应用比Structure频繁，并且这两者结构数据传递方式很类似，此处以Cell进行讲解： 假设我们的输入参数Cell中第一个元素是一个1x3的矩阵，第二个元素还是一个Cell，这个Cell里面包含两个1x3的矩阵，在Matlab中构建方法如下：

temp = []; temp{1} = [1:3]; temp{2} = [4:6]; Cell = []; Cell{1} = [1:3]; Cell{2} = temp;

现在我们如果我们想将Cell传入MEX-file中进行处理，读出Cell中第第一个元素[1:3]和第二个元素temp,这个元素还是一个Cell,这在Matlab中很常见，可以如下操作：

mxArray *mat; //指向第一个元素[1:3]的指针 mxArray *Cell; //指向第二个元素的指针，还是一个Cell size_t nrows; //行数 size_t ncols; //列数 double *data; //数据 int i; //循环变量 int j; /* 获取输入Cell的维数 */ mrows = mxGetM(prhs[0]); ncols = mxGetN(prhs[0]); /* 输出Cell的维数，这里作为示例我并没有保存Cell的维数，后面获取Cell中元素维数时还是用的这两个变量 */ mxPrintf("rows:%d,cols:%d\n",mrows,ncols); /* 取出Cell中第一个元素，此处mat是一个指向矩阵的mxArray指针，data储存的是数据 */ mat = mxGetCell(prhs[0],0); data = (double*)mxGetData(mat); /* 打印矩阵内的元素 [1:3]*/ mrows = mxGetM(mat); ncols = mxGetN(mat); for (i=0;i<mrows;i++) { for (j=0;j<ncols;j++) { mxPrintf("%f ",data[j*M+i]); } mxPrintf("\n"); } /* 取出Cell中第二个元素 还是一个Cell 再取出里面内容的方法与上述过程一致 继续调用mxGetCell */ Cell = mxGetCell(prhs[0],1);

关于在Mex-file中构建Cell的方法，这里不详细讲了，因为个人觉得这么做吃力不讨好，何不把数据分别传入Matlab再重新组织呢？如果你真的想要在MEX-file里面构建Cell并传出，原理是创建一个相应大小的mxArray，因为Cell本身就是mxArrary类型的，然后将这部分内存的地址传给plhs。

MEX-file的编译和调用

将Matlab的当前目录切换到你MEX-file所在的目录，假设你的文件名为helloMEX.c，在Matlab命令窗口输入

mex helloMEX.c

如果得到MEX completed successfully.的提示即为编译成功，如果不成功，会显示错误的位置和原因，对应修改即可。

编译成功后会得到后缀为.mexw64的文件（后缀名与平台相关，此为win64下的后缀名，其他平台不同），将此文件添加入Matlab的路径中，或者将当前目录切换到此文件所在目录，即可像普通的Matlab函数一样调用此文件。

附录: mxIsClass 函数列表

（更详细的介绍参见Matlab帮助文档）

mxIsDouble() //Determine whether mxArray represents data as double-precision, floating-point numbers mxIsSingle() //Determine whether array represents data as single-precision, floating-point numbers mxIsComplex() //Determine whether data is complex mxIsNumeric() //Determine whether array is numeric mxIsInt64() //Determine whether array represents data as signed 64-bit integers mxIsUint64() //Determine whether array represents data as unsigned 64-bit integers mxIsInt32() //Determine whether array represents data as signed 32-bit integers mxIsUint32() //Determine whether array represents data as unsigned 32-bit integers mxIsInt16() //Determine whether array represents data as signed 16-bit integers mxIsUint16() //Determine whether array represents data as unsigned 16-bit integers mxIsInt8() //Determine whether array represents data as signed 8-bit integers mxIsUint8() //Determine whether array represents data as unsigned 8-bit integers mxIsChar() //Determine whether input is string array mxIsLogical() //Determine whether array is of type mxLogical mxIsLogicalScalar() //Determine whether scalar array is of type mxLogical mxIsLogicalScalarTrue() //Determine whether scalar array of type mxLogical is true mxIsStruct() //Determine whether input is structure array mxIsCell() //Determine whether input is Cell array mxIsClass() //Determine whether array is member of specified class mxIsInf() //Determine whether input is infinite mxIsFinite() //Determine whether input is finite mxIsNaN() //Determine whether input is NaN (Not-a-Number) mxIsEmpty() //Determine whether array is empty mxIsSparse() //Determine whether input is sparse array mxIsFromGlobalWS() //Determine whether array was copied from MATLAB global workspace mxAssert() //Check assertion value for debugging purposes mxAssertS() //Check assertion value without printing assertion text
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