MATLAB與C/C++混合編程之MATLAB調用C程式

通過把耗時間長度的函數用c語言實現，並編譯成mex函數可以加快執行速度。Matlab本身是不帶c語言的編譯器的，所以要求你的機器上已經安裝有VC,BC或Watcom C中的一種。如果你在安裝Matlab時已經設定過編譯器，那麼現在你應該就可以使用mex命令來編譯c語言的程式了。如果當時沒有選，就在Matlab裡鍵入mex -setup，下面只要根據提示一步步設定就可以了。需要注意的是，較低版本的在設定編譯器路徑時，只能使用路徑名稱的8字元形式。比如我用的VC裝在路徑C:/PROGRAM FILES/DEVSTUDIO下，那在設定路徑時就要寫成：“C:/PROGRA~1”這樣設定完之後，mex就可以執行了。為了測試你的路徑設定正確與否，把下面的程式存為hello.c。
/*hello.c*/
#include "mex.h" 
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[]) 
{ mexPrintf("hello,world!/n"); 
} 
假設你把hello.c放在了C:/TEST/下，在Matlab裡用CD C:/TEST/ 將目前的目錄改為C:/ TEST/（注意，僅將C:/TEST/加入搜尋路徑是沒有用的）。現在敲：
mex hello.c 
如果一切順利，編譯應該在出現編譯器提示資訊後正常退出。如果你已將C:/TEST/加
入了搜尋路徑，現在鍵入hello，程式會在螢幕上打出一行：
hello,world! 
看看C/TEST/目錄下，你會發現多了一個檔案：HELLO.DLL。這樣，第一個mex函數就算完成了。分析hello.c，可以看到程式的結構是十分簡單的，整個程式由一個介面子過程 mexFunction構成。
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[]) 
前面提到過，Matlab的mex函數有一定的介面規範，就是指這
nlhs：輸出參數數目 
plhs：指向輸出參數的指標 
nrhs：輸入參數數目 
例如，使用
[a,b]=test(c,d,e)
調用mex函數test時，傳給test的這四個參數分別是
      2，plhs，3，prhs
其中： 
prhs[0]=c 
prhs[1]=d 
prhs[2]=e 
當函數返回時，將會把你放在plhs[0]，plhs[1]裡的地址賦給a和b，達到返回資料的目的。  
細心的你也許已經注意到，prhs[i]和plhs[i]都是指向類型mxArray類型資料的指標。 這個類型是在mex.h中定義的，事實上，在Matlab裡大多數資料都是以這種類型存在。當然還有其他的資料類型，可以參考Apiguide.pdf裡的介紹。 
為了讓大家能更直觀地瞭解參數傳遞的過程，我們把hello.c改寫一下，使它能根據輸 
入參數的變化給出不同的螢幕輸出：
//hello.c 2.0 
#include "mex.h" 
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[]) 
{
int i; 
i=mxGetScalar(prhs[0]); 
if(i==1) 
  mexPrintf("hello,world!/n"); 
else 
  mexPrintf("大家好。/n"); 
}
將這個程式編譯通過後，執行hello(1),螢幕上會打出： 
          hello,world! 
而hello(0)將會得到： 
           大家好。 
現在，程式hello已經可以根據輸入參數來給出相應的螢幕輸出。在這個程式裡，除了用到了螢幕輸出函數mexPrintf（用法跟c裡的printf函數幾乎完全一樣）外，還用到了一個函數：mxGetScalar，調用方式如下： 
   i=mxGetScalar(prhs[0]); 
"Scalar"就是標量的意思。在Matlab裡資料都是以數組的形式存在的，mxGetScalar的作用就是把通過prhs[0]傳遞進來的mxArray類型的指標指向的資料（標量）賦給C程式裡的變數。這個變數本來應該是double類型的，通過強制類型轉換賦給了整形變數i。既然有標量，顯然還應該有向量，否則矩陣就沒法傳了。看下面的程式： 
//hello.c 2.1 
#include "mex.h" 
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], 
int nrhs, const mxArray *prhs[]) 
{ 
int *i; 
i=mxGetPr(prhs[0]); 
if(i[0]==1) 
  mexPrintf("hello,world!/n"); 
else 
  mexPrintf("大家好。/n"); 
}  
這樣，就通過mxGetPr函數從指向mxArray類型資料的prhs[0]獲得了指向double類型的指標。
但是，還有個問題，如果輸入的不是單個的資料，而是向量或矩陣，那該怎麼處理呢 。通過mxGetPr只能得到指向這個矩陣的指標，如果我們不知道這個矩陣的確切大小，就 
沒法對它進行計算。 
為瞭解決這個問題，Matlab提供了兩個函數mxGetM和mxGetN來獲得傳進來參數的行數 和列數。下面常式的功能很簡單，就是獲得輸入的矩陣，把它在螢幕上顯示出來： 
//show.c 1.0 
#include "mex.h" 
#include "mex.h" 
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[]) 
{ 
double *data; 
int M,N; 
int i,j; 
data=mxGetPr(prhs[0]); //獲得指向矩陣的指標 
M=mxGetM(prhs[0]); //獲得矩陣的行數 
N=mxGetN(prhs[0]); //獲得矩陣的列數 
for(i=0;i<M;i++) 
{   for(j=0;j<N;j++) 
     mexPrintf("%4.3f  ",data[j*M+i]); 
     mexPrintf("/n"); 
  }
} 
編譯完成後，用下面的命令測試一下： 
  a=1:10; 
  b=[a;a+1]; 
  show(a) 
  show(b) 
需要注意的是，在Matlab裡，矩陣第一行是從1開始的，而在C語言中，第一行的序數為零，Matlab裡的矩陣元素b(i,j)在傳遞到C中的一維數組大data後對應於data[j*M+i] 。 
輸入資料是在函數調用之前已經在Matlab裡申請了記憶體的，由於mex函數與Matlab共用同一個地址空間，因而在prhs[]裡傳遞指標就可以達到參數傳遞的目的。但是，輸出參數卻需要在mex函數內申請到記憶體空間，才能將指標放在plhs[]中傳遞出去。由於返回指標類型必須是mxArray，所以Matlab專門提供了一個函數：mxCreateDoubleMatrix來實現記憶體的申請，函數原型如下： 
   mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity ComplexFlag) 
   m：待申請矩陣的行數 
   n：待申請矩陣的列數 
為矩陣申請記憶體後，得到的是mxArray類型的指標，就可以放在plhs[]裡傳遞迴去了。但是對這個新矩陣的處理，卻要在函數內完成，這時就需要用到前面介紹的mxGetPr。使用 mxGetPr獲得指向這個矩陣中資料區的指標（double類型）後，就可以對這個矩陣進行各種操作和運算了。下面的程式是在上面的show.c的基礎上稍作改變得到的，功能是將輸  
//reverse.c 1.0 
#include "mex.h" 
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], 
    int nrhs, const mxArray *prhs[]) 
{ 
double *inData; 
double *outData; 
int M,N; 
int i,j; 
inData=mxGetPr(prhs[0]); 
M=mxGetM(prhs[0]); 
N=mxGetN(prhs[0]); 
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL); 
outData=mxGetPr(plhs[0]); 
for(i=0;i<M;i++) 
  for(j=0;j<N;j++) 
   outData[j*M+i]=inData[(N-1-j)*M+i]; 
} 
當然，Matlab裡使用到的並不是只有double類型這一種矩陣，還有字串類型、疏鬆陣列、結構類型矩陣等等，並提供了相應的處理函數。本文用到編製mex程式中最經常遇到的一些函數，其餘的詳細情況清參考Apiref.pdf。 
通過前面兩部分的介紹，大家對參數的輸入和輸出方法應該有了基本的瞭解。具備了這些知識，就能夠滿足一般的編程需要了。但這些程式還有些小的缺陷，以前面介紹的re由於前面的常式中沒有對輸入、輸出參數的數目及類型進行檢查，導致程式的容錯性很差，以下程式則容錯性較好
#include "mex.h" 
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],  int nrhs, const mxArray *prhs[]) 
{ 
double *inData; 
double *outData; 
int M,N; 
//異常處理 
//異常處理 
if(nrhs!=1) 
    mexErrMsgTxt("USAGE: b=reverse(a)/n"); 
  if(!mxIsDouble(prhs[0])) 
   mexErrMsgTxt("the Input Matrix must be double!/n"); 
   inData=mxGetPr(prhs[0]); 
   M=mxGetM(prhs[0]); 
   N=mxGetN(prhs[0]); 
   plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL); 
   outData=mxGetPr(plhs[0]); 
   for(i=0;i<M;i++) 
     for(j=0;j<N;j++) 
     outData[j*M+i]=inData[(N-1-j)*M+i]; 
  } 
在上面的異常處理中，使用了兩個新的函數：mexErrMsgTxt和mxIsDouble。MexErrMsgTxt在給出出錯提示的同時退出當前程式的運行。MxIsDouble則用於判斷mxArray中的資料是否double類型。當然Matlab還提供了許多用於判斷其他資料類型的函數，這裡不加詳述。 
需要說明的是，Matlab提供的API中，函數首碼有mex-和mx-兩種。帶mx-首碼的大多是對mxArray資料進行操作的函數，如mxIsDouble,mxCreateDoubleMatrix等等。而帶mx首碼的則大多是與Matlab環境進行互動的函數，如mexPrintf，mxErrMsgTxt等等。瞭解了這一點，對在Apiref.pdf中尋找所需的函數很有協助。
至此為止，使用C編寫mex函數的基本過程已經介紹完了。