C++與Matlab的混合編程

原文地址： http://blog.csdn.net/bendanban/article/details/37830495

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     Matlab 擁有豐富的功能，編程簡單。不過，有些情況下，Matlab程序的執行速度比較慢。C/C++編譯執行的程序速度比較快，編程難度上比Matlab要高一些。因此存在一種方案，就是使用Matlab實現我們的實驗程序，用C/C++來實現Matlab程序中比較耗時的部分，從Matlab程序中調用C/C++的程序以實現加速。

     本文主要講解如何在Matlab中調用C/C++的程序，以及如何編寫可供Matlab程序調用的C/C++程序。

     本文主要分以下幾部分：

     Hello Matlab，用一個簡單的例子來說明如何在Matlab中調用C/C++的程序，以及可供Matlab調用的C/C++程序應該注意哪些基本事項。

     Matlab調用C/C++程序傳遞參數。討論在C/C++中是如何使用Matlab傳來的參數的。

     Matlab與C/C++混合編程的方法論。給出在一般情況下使用Matlab與C/C++混合編程的方法步驟，讓大家有一個較爲清晰的應用此技術的思路。

     關於數據存儲的說明。說明數據在Matlab中的存儲方式。

     注意：本文認爲讀者會使用Matlab，掌握C/C++語言，並且有一臺計算機。計算機上安裝有Windows的操作系統，操作系統上裝有Matlab以及Visual Studio（比如VS2008，VS2010等）。或者計算機上安裝有Linux的操作系統，系統上裝有Matlab，GCC。

hello Matlab

     我們一步步完成一個叫“Hello Matlab”的程序。

     第一步：在你的計算機D盤下，創建一個目錄命名爲HiMat。在D:\HiMat目錄下創建一個文本文件，命名爲“abhimat.cpp”。將Code 1中的代碼拷貝到“abhimat.cpp”文件中，保存。(注意，這裏建立目錄以及命名等行爲不是規定的，只是爲了講解方便)。

#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”就是將要在Matlab中被調用的C/C++代碼。

     第二步：在Matlab中編譯“abhimat.cpp”。啓動Matlab，進入D:\HiMat目錄，在Matlab命令窗口中執行code 2中的命令，根據提示完成C/C++編譯環境的配置。注意：如果你有多個編譯器，建議選擇最新的。

mex -setup

Code 2, 設置Matlab的C/C++編譯環境

     完成配置後，在Matlab中執行Code 3的命令來編譯abhimat.cpp。

mex abhimat.cpp

Code 3, 編譯abhimat.cpp

    第三步：執行編譯後的C/C++程序。在Matlab命令窗口輸入“abhimat”或者”abhimat()”，都可以調用編譯後的程序，推薦使用後者。

     細心的讀者已經注意到了：

• 在Matlab中調用的C/C++函數名就是編譯後以mex*（這裏，*表示任意多個字符，例如mexw64）爲後綴名的文件名。
• Matlab執行abhimat()命令後，實際執行的是mexFunction函數中的程序。
  

Matlab調用C/C++程序傳遞參數

    此節我們討論下，在供Matlab調用的C/C++程序中，我們是如何知道Matlab調用的參數類型、個數的。

    給出Matlab中調用C/C++程序的一個實例，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調用C/C++程序實例

    下面的工作是如何在當前目錄下一個命名爲abfunc.cpp的文件中實現mexFunction函數。在這個函數中如何獲得Matlab命令中的c、d兩個變量的值，如何返回a、b兩個變量呢。

    注意mexFunction函數中的四個參數，一一作出說明：

    nlhs：mexFunction的第一個參數，它指示Matlab的調用命令中等號左側有幾個變量。例如，code 4中的調用，nlhs的值爲2，因爲它的等號左側有兩個變量，他們是a和b。

    plhs: mexFunction的第二個參數，它指示Matlab的調用命令中等號左側變量的指針。例如，code 4中的調用，plhs[0]表示的是a，plhs[1]表示的是b。

    nrhs：mexFunction的第三個參數，它指示Matlab的調用命令中等號右側的變量個數。例如，code 4中的調用，nrhs的值爲2，因爲它的等號右側有兩個變量，他們是c和d。

    prhs：mexFunction的第四個參數，它指示Matlab調用命令中等號右側的變量指針。例如，code 4中的調用，prhs[0]表示的是c，prhs[1]表示的是d。

    mxArrary是一個不可見的數據類型，是Matlab定義的，大家只需要知道mxArrary的指針與Matlab中的變量一一對應就可以了。

    下面實現abfunc.cpp，功能是a=c+d; b = c-d;具體代碼如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的實現

    說明一下code 5中用到的函數。這些函數大都以mx開頭。mxAssert是斷言，類似於C\C++中的assert。mxGetM獲得Matlab傳來的變量的行數，mxGetN獲得Matlab傳來的變量的列數。mxCreateDoubleMatrix創建一個2維的Matlab變量，形參分別用於指定變量的行數、列數、元素類型（mxREAL表示實數，mxCOMPLEX表示複數）。mxGetData用於獲得內存中數據塊的首地址。

    編譯並測試Code 5中的代碼，參見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的測試代碼

    Code 6的輸出結果如下：

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

關於數據存儲的說明

   Matlab中的數據是按列存儲的。例如，a=[1,2;3,4;5,6]，a的數據在內存中的存儲順序是：1、3、5、2、4、6。在C\C++中使用Matlab傳來的變量時，一定要注意數據的存儲順序。