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Matlab与C/C++联合编程之Matlab以MEX方式调用C/C++代码（四）

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06/24
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利用Matlab与VC++联合编程，既可在C语言程序中打开Matlab引擎，调用Matlab的ToolBox函数和作图函数，也可在Matlab中调用C代码生成的动态链接库文件，用以加快执行速度、缩短开发周期，取得更好的效果。MATLAB与C语言的接口采用称为MEX的动态链接方式进行。MEX文件是由C源程序经过编译生成的MATLAB动态链接子程序，它的作用十分类似于MATLAB的内建函数，可由MATLAB方便地调用。本文主要讲解从Matlab中调用C/C++代码的相关知识。

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。

利用MEX技术，从MATLAB调用C/C++代码

1）使用者应该在系统中安装MATLAB支持的C/C++编译器。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）MEX文件的源文件实际上就是一个C语言源文件， MEX的源文件结构由两部分组成：入口子程序和功能子程序。

入口子程序起链接C子程序与MATLAB系统的作用，是实现MATLAB与C混合编程所必须的。格式为：

  1. #include “mex.h”
  2. void mexFunction( int nlhs, mxArray *plhs[],
  3. int nrhs, const mxArray *prhs[] )
  4. {
  5. //C语言代码
  6. }

其中入口子程序函数名必须为mexFunction。其中nlhs (number of left-hand side) 是输出参数的个数，nrhs(number of right-hand side) 是输入参数的个数。prhs[]与plhs[]是指针数组变量，其元素为指向右变量与左变量的指针。在用户程序中可利用上述指针在C与MATLAB中相互传递数据。MEX函数库里的mexFunction()函数，相当于C语言中的main()函数。MEX源文件没有main()，而是以一个mexFunction()代替。

功能子程序用于完成一些特定的计算功能或硬件处理功能，由上述的入口子程序调用。如果必要，该程序可与入口子程序合二为一。

3）MEX源文件的编译

设上述两部分形成的源文件存为MyMEXFun.c。则可在MATLAB环境下使用mex MyMEXFun.c命令进行编译

4）MEX文件的调用格式

[a,b,c...]=MyMEXFun(x,y,z...)

其中，x,y,z...表示函数的输入变量；a,b,c...表示函数的输出变量。

5）MEX文件的调试

下面由一个简单的例子来讲解下MEX文件的调试。

在Matlab当前目录下新建一文件MyMEXFun.c，文件内容为：

  1. #include "mex.h"
  2. double add(double x, double y)
  3. {
  4. return x+y;
  5. }
  6. void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],int nrhs,const mxArray *prhs[])
  7. {
  8. double a,b,*c;
  9. a=mxGetScalar(prhs[0]);
  10. b=mxGetScalar(prhs[1]);
  11. plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(1,1,mxREAL);
  12. c=mxGetPr(plhs[0]);
  13. *c=add(a,b);
  14. }

首先对文件内容进行简单说明：

其中nlhs (number of left-handside) 是输出参数的个数，nrhs (number of right-hand side) 是输入参数的个数。例如对于c=add(a,b)，有nlhs=1，hrhs=2。

plhs[]与prhs[]都是指针数组，也就是说它是个数组，每个元素都是一个指针，这些指针指向的东东的类型是mxArray。那什么是mxArray呢？可以把他理解MATLAB中的矩阵，因为MATLAB中所有数据都是以矩阵的形式保存的。

先讲prhs[]，就是输入的参数，prhs[0]指向a，prhs[1]指向b，但是注意不能用*(prhs[0])得到a的值。因为 prhs[0]指向的东西的类型是mxArray（参数列表里看出），想把它的值以我们常用的数值形式赋给一个标量(Scalar)，得使用 mxGetScalar()函数转化一下：

double a, b;
    a = mxGetScalar(prhs[0]);
    b = mxGetScalar(prhs[1]);

plhs对应的输出的内容。plhs[0]这个指针指向输出的第一个参数，就是c=add(a, b)中的c了。记住这个c应该是以mxArray的类型出现的，为了得到mxArray类型的输出量，要使用mxCreateDoubleMatrix()函数，它创建一个指向mxArray类型的指针。

plhs[0] = mxCreateDoubleMatrix(1, 1, mxREAL);

参数(1, 1, mxREAL)定义了对应c的尺寸类型，MATLAB中c是以1×1的实数矩阵形式报保存的。

而使用mxGetPr()函数可以得到plhs[0]指向的mxArray的第一个double类型的指针。

double *c;
c = mxGetPr(plhs[0]);

最后调用add()函数

*c=add(a,b);

(a) 在Matlab命令窗口输入命令

mex MyMEXFun.c

可以看到在当前目录生成新文件MyMEXFun.mexw32。在命令窗口中输入c=MyMEXFun(3,4)命令，可得到c=7。

(b) 对程序的调试有两种方法，第一种要借助相应语言的开发环境进行调试，只需要把mex 源文件文件在 Matlab 环境下编译的时候加上 debug 选项即可，例如我们编译一个名字为MyMEXFun.c的 mex 源文件，可以在 Matlab 的 command 窗口输入命令mex –g –v MyMEXFun.c即可。

(2) 在windows 环境下的调试方法。

打开VS2010->File->New->Project->VisualC++->MFC->MFC DLL，新建MFC DLL工程，选择DLL类型为Regular DLL with MFC statically linked，工程名为MexDemo。

为工程添加MyMEXFun.c文件，文件内容与上面相同。

打开文件MexDemo.def，在def文件的EXPORTS项添加mexFunction一行。

右键MexDemo->Properties->VC++Directories->Include Directories，添加目录：C:\ProgramFiles (x86)\MATLAB\R2011b\extern\include和目录C:\ProgramFiles (x86)\MATLAB\R2011b\extern\include\win32

右键MexDemo->Properties->VC++Directories->Library Directories，添加目录：C:\Program Files (x86)\MATLAB\R2011b\extern\lib\win32\microsoft

右键MexDemo->Properties->linker->input中增加Additional Dependencies中增加libmx.liblibmex.lib libmat.lib。

右键MexDemo->C/C++->Preprocessor中增加MATLAB_MEX_FILE

在Linker下output中将后缀改为mexw32，即$(OutDir)\$(ProjectName).mexw32

在需要的地方加入#include “stdafx.h”。

用Ctrl+Alt+P附加调试环境到Matlab，在Matlab中将当前目录更改为生成MyMEXFun.mexw32所在目录，在Matlab命令窗口输入函数调用语句，即可开始调试。

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,  calllib, libfunctions, lipointer, libstruct,libisloaded等。下面举例说明Matlab调用C/C++动态连接库的方法和步骤：

打开VS2010->File->New->Project->VisualC++->MFC->MFC DLL，新建MFC DLL工程，选择DLL类型为Regular DLL with MFC statically linked，工程名为Test1。

为工程添加a.cpp文件，内容为：

  1. #include "a.h"
  2. _declspec(dllexport) int  add(int a,  int b)  { return a+b; }

为工程添加a.h文件，内容为：

  1. _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。

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。但是这个接口只支持C，不支持C++库和函数的重载，这种情况下，推荐用MEX-file，若实在要用这种方法（调用C/C++动态连接库），则对于C++要做一些更改。

使用mex时的注意事项：
1.MATLAB调用mex接口时，将参数个数及参数指针传入接口子程序，由接口子程序完成指针和调用变量的赋值、输出数据的内存空间分配，接口子程序再将参数指针或经过赋值的变量作为参数传递给C的计算子程序，完成调用过程。调用时应注意指针所指对象的正确性，为处理正确最好做相应的强制类型转换。
2.mex并不便于调试，因此应在C的IDE中用测试集调试后再放入mex文件中。
3.MATLAB中指向二维及高维数组的指针递增方式是按行递增的，而C中是按列递增的，因此计算index时要注意位置。MATLAB矩阵数据的存储顺序是"从上到下，从左到右"。 MATLAB的指标从1开始，C的指标从0开始。

为了mex的正确执行，也是良好编程习惯的要求，需要对输入参数和输出参数进行个数和类型的检查，常用的mex库函数有：
mxGetClassID //获得指针所指变量类型
mxIsNumeric, mxIsCell等，检查指针所指变量是否为符合某种要求的变量类型。更多可查阅帮助。
参数检查过程中可使用mexErrMsgTxt输出错误信息。

mxGetM, mxGetN，获得矩阵的行数和列数
mxGetDimensions，获得矩阵维数
mxGetPr，mxGetPi，获得矩阵实数部分、虚数部分的指针
mxGetString, 获得字符串内容
mxGetElementSize, 获得存储矩阵元素所需要的字节数

mxCalloc，内存分配。用mxCalloc不用calloc和malloc，因为mxCalloc会自动释放内存，不需要手动free了。

mxCreateString, 创建1*N的字符串矩阵
mxCreateDoubleMatrix, 创建2维双精度浮点矩阵，可以是实数(mxREAL)或者复数(mxCOMPLEX)
mxCreateStructArray, 创建N维结构体矩阵
mxCreateCellMatrix, 创建二维单元矩阵
mxCreateNumericArray,创建n维数值矩阵

mexPrintf, 重新封装的printf

mxSetFiled, 设置结构体矩阵的域
mxSetCell, 设置单元矩阵的单元值
mxSetPr, 设置矩阵实数值
mxSetPi, 设置矩阵虚数值

mxCallMATLAB,调用MATLAB中其他内建函数、自定义M文件、mex文件。