Matlab和C混合编程的几种方法比较

Matlab和C混合编程的几种方法比较杨允军整理并调试第一部分概述Matlab是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，到2005年已发行到R14（Matlab7.0），主流版本有4.0，5.3，6.1，6.5。它是一种面向科学计算和数值分析的软件，涵盖了通信、短阵运算、图像处理、金融分析、模糊控制、自动控制、信号处理、系统仿真、微分计算等方面。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的数字图像处理等功能，突出的优点是强大的运算功能和近乎完美的绘图功能。然而Matlab自身存在的一些不足使其在开发应用系统时受到局限，主要表现为以下几个方面：(1)Matlab语言是一种解释执行的脚本语言，其程序运行效率低，特别是在编制大型复杂的应用系统时达不到理想的效果。(2)Matlab编写的M文件是文本文件，很容易被直接读取，无法保护开发者的劳动成果。(3)Matlab编写的程序只能在Matlab的平台下运行，不具备跨平台的能力，可移植性差。(4)开发应用系统的界面能力差，很难做出友好的应用界面。以上几点是VC等高级编程语言所专长的，而VC等高级编程语言在工程计算、复杂的数学计算、数字图形处理方面以及特定的学科领域的计算处理上远远不及Matlab。因此将二者结合起来，各取所长，将能更好地满足实际应用中的需要。为了实现混合编程，Matlab5．0以后的版本自带了C语言编译器(Compiler)，可以将M文件转换为C—MEX或C／C++程序。根据是否需要Matlab环境，一般将Matlab与VC++混合编程分为两大类：Matlab在后台运行和可以脱离Matlab环境运行。归纳起来Matlab与C接口有如下几种方法：1．Matlab引擎(Engineer)采用客户/服务器的计算方式，通过Windows的ActiveX通道和Matlab相结合。在具体的应用中，VC++的程序作为前端客户机，通过调用MatlabEngineer在后台与Matlab服务器建立连接，实现动态通信。这种方法实现较为简单；不要求连接整个Matlab，只需要嵌入必要的MatlabEngineer库，可大大地节省系统资源，但这种Matlab在后台运行的效率低下。2．Mideva（Matcom）是Mathtools公司推出的一种Matlab集成编译开发平台，提供对Matlab程序文件(M文件)的解释执行和开发环境支持。经过简单设置后，Mideva可以将M源文件转换为C／C++，然后添加到MSVC、VB、C++Builder等的工程中。自从Mathtools公司并入Mathworks公司以后，Matcom就停止了研发，最高版本为Matcom4.5。3．利用Mideva直接生成EXE文件后，故C++中通过Shell调用，常见的外部函数有shellexec()或weinexec()。这种方法简单方便，但运行时出现一个控制台窗口，而且由于VC和Matlab之间不能交互，且通用性差，仅适用于VC中调用Matlab，实现图形显示的场合。4．借用C++编译器将Matlab下的M文件转换成DLL(动态链接库)，其他应用程序可直接调用该DLL。5．在C或者C++程序中使用Matlab提供的C／C++MathLibrary函数直接调用Matlab函数。（没有尝试过）6．按照Mideva的语法，在VC中直接书写Matlab语句实现Matlab与C的混合编程。7．Add—in实现Matlab与VC的混合编程是Matlab6．0提供的一种最方便的方法，通过该方法，VC可直接在其开发环境中将M文件转换为CPP文件，并且可以现场修改M文件进行调试。但是不知道为什么Matlab7.0取消了这种功能。8．MAT文件方法，也就是将Matlab产生的数据，通过Matlab提供的一些函数，在VC中读取。这种方法没有交互性可言。以上几种方法各有利弊，方法1需要在安装有Matlab的环境中运行，可移植性差。方法2、3、4、5、6、7可以脱离Matlab环境运行，移植性较好，但4、5、7好像不支持图形显示，而且不能编译Matlab的内建函数build-in函数（如fft、filter等）。相对来说，Matcom的Add-in方法既简单功能又比较强大，但7.0以后的版本是否支持Matcom尚不得而知。以上几种方法大同小异，除了MEX方法是在Matlab中调用C语言外，其他都是在VC中调用Matlab，后者是应用的主流。这里举出几种典型的方法及应用实例，大体能满足工程中互相调用的需求。几个实例都调试通过。第二部分实例2.1C-MEX实例2.1.1引言有时仅仅为了加快运算速度的需要，可以考虑用效率较高的C语言编写耗时大的部分，并且通过Matlab的API接口转化为C-MEX文件（在Windows系统中为DLL文件），和Matlab的普通函数一样调用。周期谱理论是由W.A.Gardner等人深入研究并发展的[1]，该理论的前提是认为信号具有周期平稳随机性，而大多数的通信信号符合这一特征。周期谱理论在信号检测、分类、参数估计、同步、提取，尤其在低信噪比条件下可以取得满意的效果。周期谱的工程计算分为时域平滑法和频域平滑法，后者是先求出信号的短时Fourier变换，然后作相关，存在计算量大的缺点，在Matlab实现过程中，这个缺点在数据量较大时是无法忍受的。所以，找到一条能减小运算时间的途径是十分必要的。Matlab是一种解释执行的语言，用向量代替循环是其推荐的方法，但当循环必不可少时，仅仅在Matlab环境内寻找优化途径就力不从心了，这时考虑从Matlab和其他高级语言的接口方面突破。Matlab为了解决上述问题，提供了外部接口，本文主要介绍它与C/C++的接口。Matlab提供了一种生成和调用C-MEX文件的技术，可以将m文件中耗时的代码用C实现，编译成动态库文件（Windows中为dll），使得其可以作为Matlab的build-in函数使用，这种C-MEX文件的执行效率比Matlab中的m函数要高。C-MEX文件的另一个优势是调试方便，可以在Matlab或借用VC环境进行调试。当然，Matlab还提供了其它一些技术，如Mat文件、引擎方式、m文件编译成动态库在VC中调用等。Mat文件只能传递变量数据，应用有限；引擎方式在程序运行时启用Matlab，慢且不方便；m文件通过Matlab的mcc编译器编译成动态库在VC中调用的方式相对来说完美，但也存在调用动态库时语法复杂的缺点。本文介绍的C-MEX文件的方法接口简单、调用方便，可以大幅度减小周期谱的计算时间。2.1.2原理C-MEX文件其实就是带有Matlab接口的C文件编译好的动态连接库，程序主要由两部分组成：计算子程序和接口子程序[2][3]。前者包含了用于计算的源代码，用来完成实际的计算工作，用C语言实现；后者它是计算子例行程序同Matlab环境之间的接口，用来完成两者之间的通信任务。接口子例行程序的名称固定为mexFunction，该函数中以mx、mex开头的函数是Matlab与C的接口函数，mx-函数用来对mxArray结构体类型的操作，mex-函数用来对外传递数据。mexFunction函数有四个参数，分别为prhs、nrhs、plhs和nlhs，其中prhs为一个mxArray结构体类型的指针数组，该数组的数组元素按顺序指向所有的输入参数；nrhs为int类型，用以表示输入参数的个数；plhs也是一个mxArray结构体类型的指针数组，该数组的数组元素按顺序指向所有的输出参数；nlhs为int类型，表示输出参数的个数。以上两个部分是典型的C-MEX文件格式，其工作原理如图1所示。为了能够在Matlab环境下运行这个程序，必须首先配置MEX的编译环境，其配置工作可在Matlab命令窗口中运行mex–setup，会提示选择编译器[1]LccCversion2.4inD:\MATLAB6P5\sys\lcc[2]MicrosoftVisualC/C++version6.0inD:\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio选择Compiler:MicrosoftVisualC/C++6.0，就可以在Matlab或者VC环境输入C代码，编译生成C-MEX文件了，接下来介绍C-MEX文件的建立和调试。2.1.3实现过程Matlab中调试MEX文件的错误提示信息不容易理解，在VC中调试可以有效地解决这方面的问题，这里介绍VC环境下编译生成及调试MEX文件的过程。（一）建立dll工程。在VC中创建DLL工程SCFdll，在def文件中输入LIBRARYSCFdll，EXPORTSmexFunction，表示库文件名或者对外发布的包装为SCFdll。（二）建立C文件，写运算子程序部分和接口子程序部分。新建CSource文件，加入#includemex.h语句，该头文件在目录MATLAB\extern\include下，所以还要在VC的include搜索路径中包含MATLAB\extern\include，具体操作为在Tools-Options-Directories的inlcude搜索路径中添加MATLAB\extern\include。因为用到了VC的编译器，所以在lib搜索路径中还要加入MATLAB\extern\lib\win32\microsoft\msvc60。在周期谱计算中，我们发现谱相关运算消耗了大量的时间，用C-MEX文件代替这一部分Matlab代码可以大幅度减少耗时。C文件的计算子程序用来完成短时Fourier变换后的相关计算，doubleSpecR[]为短时Fourier变换的实部，doubleSpecI[]为短时Fourier变换的虚部，DatLen为短时Fourier变换的长度，doubleSR[]为得到的周期谱的实部，doubleSI[]为得到的周期谱的虚部，N1为搜索带宽的起点，N2为终点，M为平滑次数。代码如下：/*-----C++源程序-----*/voidspec_smth(doubleSR[],doubleSI[],doubleSpecR[],doubleSpecI[],图1C-MEX的工作原理intM,intN1,intN2,intDatLen){inti,v;doubletempR,tempI;intN=N2-N1;v=0;for(i=0;iN;i++){SR[i]=0;SI[i]=0;}for(v=0;vM;v++)for(i=0;iN;i++){SR[i]=SR[i]+SpecR[v+i+N1]*SpecR[v-i-N1+DatLen]+SpecI[v+i+N1]*SpecI[v-i-N1+DatLen];SI[i]=SI[i]+SpecR[v-i-N1+DatLen]*SpecI[v+i+N1]-SpecR[v+i+N1]*SpecI[v-i-N1+DatLen];}}C文件的接口子程序mexFunction用来完成C语言和Matlab的数据交换，一般用来检验输入输出参数和调用计算子程序。代码如下：/*-----接口子程序-----*/voidmexFunction(intnlhs,mxArray*plhs[],intnrhs,constmxArray*prhs[]){intM;intDatLen;intN1;intN2;intN;double*SR;double*SI;double*SpecR;double*SpecI;/*Checkforpropernumberofarguments*//*if(nrhs!=5)mexErrMsgTxt(Fiveinputsrequired.);//mexErrMsgTxtbreaksyououtoftheMEX-file.if(nlhs!=2)mexErrMsgTxt(Twooutputsrequired.);if(mxGetN(prhs[0])!=mxGetN(prhs[1]))mexErr