MATLAB 与C C + + 、FORTRAN语言混合编程

MATLAB 与C/ C + + 、FORTRAN语言混合编程摘要:对MATLAB 与C/ C + + 和FORTRAN 语言进行混合编程的常用方法进行了介绍,分析了其实现方式和各自的利弊,并用实例对MEX 文件实现方式进行了较详细的论述.

关键词: MATLAB ; C/ C + + ; FORTRAN ; 混合编程

中图分类号: TP313 文献标识码: A 文章编号:16722948X(2004) 0620547205 1 混合编程的意义及其实现方式

1. 1 混合编程的意义

MATLAB 语言具有功能强大、开发效率高等诸

多优点, 已在工程实际中得到广泛应用, 但是与

FORTRAN、C/ C + + 等语言相比,其执行效率较低,

特别是当程序中含有大量循环语句(例如迭代计算)

时,MATLAB 就有些力不从心, 速度很慢, 而运用

FORTRAN 等擅长数值计算语言进行编程,其运行效

率高. 一方面,如果放弃MATLAB 强大功能和数量

众多的应用工具箱,无疑是资源的极大浪费. 另一方

面,针对工程实际,人们用FORTRAN、C/ C + + 语言

已编写了大量实用程序,如果将其重新改写成M 文

件移植到MATLAB 环境中,不仅要花费大量的时间

和精力,而且有时还降低了其运行效率. 可否将二者

优势互补呢? 混合编程就是其有效的解决途径.

1. 2 混合编程的实现

正是考虑到上面这些原由,MATLAB 系统提供

了其应用程序接口(Application Program Interface) 来

解决这些问题. API 主要包括3 部分:MEX 文件———

外部程序调用接口,用来在MATLAB 环境下调用

FORTRAN、C/ C + + 语言编写的程序;MAT 文件应

用程序———数据输入输出接口,用于MATLAB 系统

与外部环境之间互传数据; 计算引擎函数库———

MATLAB 处于后台作为一个计算引擎,与其它应用

程序建立客户机/ 服务器关系,在其它应用程序中调

用[1 ,2 ] .

1. 2. 1 MEX 文件

MEX 文件是按照一定格式,用FORTRAN 或C/

C + + 语言编写的源程序,在MATLAB 下借助相应

的编译器,生成的动态链接函数的统称. 在Windows

操作系统下,是用MATLAB 附带的批处理mex. bat

来编译生成文件后缀名为. dll (Dynamic Link Li2

brary) 动态链接库文件,该文件可在MATLAB 环境

下,像命令函数一样直接运行和调用,使用起来极为

方便. 采取MEX 文件方式,是重复利用已有FOR2

TRAN、C/ C + + 程序,让MATLAB 和FORTRAN、

C/ C + + 语言优势互补的最有效和常用的方式,但不足的是其开发的程序只能在MATLAB 环境下运行.

本文将详细的论述基于Windows 平台上其实现过

程.

1. 2. 2 MAT 文件应用程序

MATLAB 数据存储的默认文件名后缀为. mat ,

习惯上称该格式的文件为MAT 文件, MAT 文件应

用程序提供了一种方法让MATLAB 与其它软件进

行数据输入输出.

1. 2. 3 MATLAB 计算引擎

MATLAB 引擎采用客户机/ 服务器的计算模式,

通过对Activex 技术的支持,实现VC 应用程序(客户机) 与MATLAB(服务器) 的动态连接通信. 假如用户想以较短的时间开发前台为VC + + 产生的用户界面,后台由MATLAB 计算分析的应用程序, 使用MATLAB 引擎是很好的选择. 在实际应用中,MAT2 LAB 作为ActiveX 的自动化服务器,接收通过引擎传来的数据和指令信息并进行相应的处理,然后将结果经过引擎返回给发送请求的客户机. 但这种方式需要MATLAB 在后台的适时运行, 如果用户没有安装MATLAB ,应用程序就无法正常运行,而且应用程序

与MATLAB 间通过字符流传递数据和命令参数,整

个算法在MATLAB 中执行,从而降低了程序的执行

效率,因而其实际应用不多.

1. 2. 4 MCC 和MATCOM

前面提到的几种方式都是以MATLAB 为主,程

序的运行都离不MATLAB 环境. 除此之外,另一种

方式就是将MATLAB 语言程序翻译成C/ C + + 语

言代码,再用C/ C + + 语言的方式进行开发. MAT2 LAB 自己提供了C 语言翻译程序mcc , 另一种是原

第3 方公司MathTools 开发的MATCOM. 后者出现

较早,功能远比MATLAB 自己的翻译程序强大,所

以MathTools 公司已经被MathWorks 公司收购,并

已将其开发技术融于新推出的MATLAB 6. 0 (Re2 lease 12) 中. 但二者都不完善,有大量的MATLAB

函数及数据类型是不能兼容变换的,所以有时会发现将简洁的MATLAB 程序翻译成C 语言程序很晦涩.

翻译后的C 程序几乎不适合手动去维护,更谈不上

升级了[3 ] .

2 C/ C + + 语言MEX文件的实现

C/ C + + 语言MEX 文件的实现包括,源程序的

编辑、MEX 编译和调试. 在编译和调试前要进行编译器的配置.

2. 1 C/ C+ + 语言MEX文件的编写

C/ C + + 语言MEX 文件的编写格式,除了要遵

循C/ C + + 语言语法外,还须要加入用于MATLAB

和C/ C + + 语言通信协议———入口子程序. 我们首先看一个极简单的C 语言MEX 文件,该程序的作用是

两个数求和,源程序如下:

/ / 示例程序myplus. c :求两个Double 数之和

# include ”mex. h”

/ 3 计算功能子程序3 /

void myplus (double y[ ] ,double x[ ] ,double z[ ]) {

y[0 ] = x[0 ] + z[0 ] ;

}

/ 3 以下是入口子程序3 /

void mexFunction(int nlhs ,mxArray 3 plhs[ ] ,int nrhs ,const mxArray 3 prhs[ ])

{

double 3 x , 3 y , 3 z ;

int mrows0 ,ncols0 ;

int mrows1 ,ncols1 ;

/ 3 检查输入输出变量个数3 /

if (nrhs ! = 2)

mexErrMsgTxt (”Two input s arquired”) ;

else

if ( nlhs > 1) mexErrMsgTxt ( ”Too many output argument s”) ;

/ 3 输入量必须是两个非复数double 类型3 /

mrows0 = mxGetM(prhs[0 ]) ;

ncols0 = mxGetN(prhs[0 ]) ;

if ( ! mxIsDouble (prhs [ 0 ]) | | mxIsComplex (prhs [0 ]) | | ! (mrows0 = = 1 & &ncols0 = = 1) ) mexErrMsgTxt ( ”Input s must be all noncomplex scalar double. ”) ;

mrows1 = mxGetM(prhs[1 ]) ;

ncols1 = mxGetN(prhs[1 ]) ;

if ( ! mxIsDouble (prhs [ 1 ]) | | mxIsComplex (prhs [1 ]) | | ! (mrows1 = = 1 & &ncols1 = = 1) ) mexErrMsgTxt ( ”Input s must be all noncomplex scalar double. ”) ;

if (mrows0 ! = mrows1| | ncols0 ! = ncols1) mexErrMsgTxt ( ”Input s must be same dimen2

sion. ”) ;

/ 3 为返回参数创建矩阵3 /

plhs [ 0 ] = mxCreateDoubleMat rix ( mrows0 ,

ncols0 ,mxREAL) ;

x = mxGet Pr (prhs[0 ]) ;

z = mxGet Pr (prhs[1 ]) ;

548 三峡大学学报(自然科学版) 2004 年12 月y = mxGet Pr (plhs[0 ]) ;

/ 3 调用计算功能子程序myplus () 3 /

myplus (y ,x ,z) ;

}

上面程序为一典型的C 语言MEX 文件,程序由

两部分构成:一个计算功能子程序(myplus () 函数) 和

一个入口子程序(mexFunction () 函数) . 顾名思义,计

算功能子程序包含所有实际所需完成的功能、算法,

我们已有的或现编的C/ C + + 、FORTRAN 程序就被

当做计算功能子程序使用,它由入口子程序调用. 入

口子程序是MATLAB 系统和外部程序之间沟通的

桥梁,主要用来完成两者之间的通信. 上面示例程序

中,mexFunction () 函数有大量语句是用于检查变量

的数据类型等辅助性工作,这是必要的,因为MAT2

LAB 语言不像C/ C + + 等语言变量使用前须声明,

对类型的检查可以避免许多错误的发生.

下面简要的说明一下上面程序中用到的MAT2

LAB API 函数,它们在mex. h 或mat rix. h 中声明. mexFunction () ,入口子程序函数,其格式如下:

void mexFunction(int nlhs ,mxArray 3 plhs[ ] ,int

nrhs ,const mxArray 3 prhs[ ])

{

??/ / 一些必要的代码,用来完成MATLAB 系

统与计算功能子程序之间的通信

}

其参数的含意为:nrhs 和nlhs ,整型变量,分别为

调用MEX 文件时输入、输出参数的个数. prhs、plhs ,

指针数组,其元素分别为指向输入、输出参数的指针. mexErrMsgTxt () ,用于输出错误信息,并返回到

MATLAB 命令提示符下.

mxGetM() 和mxGetN ( ) ,获得矩阵的行数和列

数,参数为指向矩阵的指针,如程序中的mrows0 =

mxGetM(prhs[0 ]) 的作用为:得到第一个输入实参的

行数,并赋值给整型变量mrows0.

mxIsDouble () 、mxIsComplex () ,判断矩阵是否为

双精度型、复数型. 输入参数为矩阵指针,返回值为

BOOL 值.

mxCreateDoubleMat rix(int m ,int n ,mxComplex2

ity complexFlag) ,创建一个未赋值的双精度矩阵,m ,

n 为创建矩阵的行、列数,complexFlag 为标识是实数

还是复数. 该函数返回所创建矩阵的指针.

mxGet Pr () 获得矩阵实数部分的指针,输入参数

为矩阵的指针,返回值为矩阵实数部分的双精度指

针.

MATLAB API 函数还包含其它许多接口函数,

分为mx2函数和mex2函数,详细情况可查阅相关文

献.

MEX 源程序编写完成后,还要经过编译后才能

生成dll 文件,供MATLAB 或其它程序调用,编译前

要对MATLAB 进行编译器的配置.

2. 2 编译器的配置

编译器的配置是通过MATLAB 的配置文件

(mexopt s. bat ) 进行的,其具体过程为: 在MATLAB 命令窗口下键入:mex2steup ,随后系统弹出一个DOS 窗口,按照提示一步步选择完成即可. 该命令可带许

多参数,可针对不同的操作系统进行多种配置[2 ,3 ] . 2. 3 C/ C+ + 语言MEX文件的编译

编译方法很简单,直接在MATLAB 命令提示符

下键入:mex filename ,其中filename 为需编译的源程序名. 如果提示有错误信息,需查错,修改源程序、调试. 直到没有错误信息提示. 编译通过生成的可执行的dll 文件,可在MATLAB 命令提示符下或其它程

序中调用.

3 FORTRAN语言MEX文件的实现

FORTRAN 语言MEX 文件的实现步骤和C/ C

+ + 语言MEX 文件大体相同.

3. 1 FORTRAN 语言MEX 文件的编写

MATLAB 提供了C/ C + + 和FORTRAN 两种

语言的接口,基于FORTRAN 语言和前面讲到的基

于C/ C + + 语言的MEX 文件在实现方式上相差不

大. 我们先还是看一下前面程序用FORTRAN 语言

MEX 文件来实现的源程序.

! 示例程序myplus. f :求两个数之和

! 计算功能子程序

subroutine myplus (y ,x ,z)

! 变量声明

real 3 8 x ,y ,z

y = x + z

return

end

! 以下是入口子程序

subroutine mexFunction(nlhs ,plhs ,nrhs ,prhs) ! 参数声明

integer nlhs ,nrhs ,plhs ( 3 ) ,prhs ( 3 )

! 调用API 库函数的声明

integer mxGet Pr ,mxCreateFull

integer mxGetM ,mxGetN ,mxIsNumeric

! 程序内部使用变量的声明

第26 卷第6 期陈建平等MATLAB 与C/ C + + 、FORTRAN 语言混合编程549 integer xpr ,ypr ,zpr

integer mrows ,ncols ,size

real 3 8 x ,y ,z

! 检查输入输出变量个数

if (nrhs. ne. 2) then

call mexErrMsgTxt (’Two input s arquired’)

elseif (nlhs. gt . 1) then

call mexErrMsgTxt ( ’Too many output argu2

ment s’)

endif

! 输入量必须是两个数

mrows = mxGetM(prhs (1) )

ncols = mxGetN(prhs (1) )

size = mrows 3 ncols

if (mxIsNumeric (prhs (1) ) . eq. 0) then

call mexErrMsgTxt (’Input s must be a number’)

endif

mrows = mxGetM(prhs (2) )

ncols = mxGetN(prhs (2) )

size = mrows 3 ncols

if (mxIsNumeric (prhs (2) ) . eq. 0) then

call mexErrMsgTxt (’Input s must be a number’)

endif

! 为输出参数创建矩阵

plhs (1) = mxCreateFull (mrows ,ncols ,0)

xpr = mxGet Pr (prhs (1) )

zpr = mxGet Pr (prhs (2) )

ypr = mxGet Pr (plhs (1) )

! 将数据指针转换成双精度型

call mxCopyPt r ToReal8 (xpr ,x ,size)

call mxCopyPt r ToReal8 (zpr ,z ,size)

! 调用计算功能子程序myplus

call myplus (y ,x ,z)

! 将计算结果传给输出数据指针

call mxCopyReal8ToPt r (y ,ypr ,size)

return

end

该程序的结构和内容与前面myplus. c 大致相

同,也是由两部分:一个计算功能子例行程序和一个

入口子例行程序构成,其程序中参数和变量大多相

同,这里就不一一再介绍了. 但值得一提的是, FOR2

TRAN 和C/ C + + 语言语法规则相差较大,在C/ C +

+ 语言中对字符大小写是敏感的,而FORTRAN 语

言中大小写是一样的;C/ C + + 语言中数组是按行存

储,数组下标是从0 开始计数的,而FORTRAN 语言

中数组是按列存储,数组下标从1 开始. C/ C + + 语

言几乎支持所有的数据类型,支持头文件,操作很灵

活. 而FORTRAN 语言,不支持指针,参数传输较麻

烦[1 ] .

3. 2 FORTRAN语言MEX文件的编译

和C/ C + + 语言MEX 文件一样,编译前需进行

编译器的配置,方法同前,只是选的编译器不同(例如Compaq Visual Fort ran version 6. 6) . 编译的过程也一样,MATLAB6 的编译命令(不再区分C/ C + + 文件

用cmex. bat ,FORTRAN 用fmex. bat) 统一使用mex.

bat 批处理命令,其后的文件名须带扩展名.

4 Visual Studio IDE 下MEX文件的建

立和调试

4. 1 Visual Studio 的配置

前面使用的mex 文件的使用方式,类似在DOS

下程序开发方式,程序编辑、编译、调试和执行分开,

每次只能创建一个文件,需要来回切换MATLAB 命

令窗口和编辑窗口,操作较麻烦. VC 是在Windows

环境下的优秀开发平台,将MATLAB 和VC 强强联

手,无疑是非常好的混合编程方式. 下面就简要介绍

一下如何在VC 的IDE( Integrated Development Envi2 ronment) 中编译MEX 程序. 为了表述的方便,我们以MATLAB6. 5 (安装在C: \ matlab6p5) 和Visual C +

+ 6. 0 (安装在D : \ Program Files \ Microsoft Visual Studio) 为例,可以分为以下5 步[4 ,5 ] :

①用VC 创建一个工程(假定名称为myproject) ,

类型选择Win32 Dynamic - link Library ,并将自己的MEX源程序和mexversion. rc (在C: \ MATLAB6p5

\ extern \ include 下) 加入到工程.

②创建一个与工程同名的定义文件(myproject .

def) ,内容如下:

L IBRARY myproject . dll

EXPORTS mexFunction

(如果是FORTRAN 该行改为EXPORTS -

MEXFUNCTION @16 )

并加入定义文件myproject . def 到工程

③定位库文件( . lib) 位置. 具体操作为:选择VC

下拉菜单Tools/ Options ?,在弹出的对话框Show di2

rectories for 下拉框中选择Library files ,在下部的Di2 rectories : 中添加C: \ MATLAB6p5 \ extern \ lib \

win32 \ microsoft \ msvc60 目录. 然后选择VC 下拉

菜单Project/ Settings ?, 在弹出的对话框中选择

550 三峡大学学报(自然科学版) 2004 年12 月Link 选项卡,在Category 栏中选择general 选项,在

出现的Object/ library modules : 框中填入libmx. lib , libmex. lib , and libmat . lib.

④加入MATLAB include 目录. 具体操作为:选

择VC 下拉菜单Tools/ Options ?,在弹出的对话框

Show directories for 下拉框中选择Include files ,在下

部的Directories : 中添加C: \ MATLAB6p5 \ extern

\ include 目录. 然后选择VC 下拉菜单Project/ Set2

tings ?, 在弹出的对话框中选择C/ C + + 选项卡,在

Category 栏中选择Preprocessor 选项,在出现的Pre2 processor definitions : 框中填入MATLAB-MEXFIL

E.

⑤最后就是调试运行配置. 具体操作为:选择VC

下拉菜单Project/ Settings ?,在弹出的对话框选择

Debug 选项卡,在Category 栏中选择General 选项,在

出现的Executable for debug session :框中填入C: \ MATLAB6p5 \ bin \ win32 \ matlab. exe.

4. 2 在Visual Studio 中使用MATLAB add - in

MATLAB6. X为Visual Studio IDE 提供了add -

in ,该add - in 使MATLAB 的M - files 非常容易的就

可加入到VC 环境中,使VC 和MATLAB 很好的融

合. 不过要使用该插件需要简单的配置. 具体操作如

下:

使用前面提到的mex - steup 命令进行编译器的

配置, 选择VC 作为编译器后, 该命令自动装载

MATLAB add - in. 然后选择VC 下拉菜单Tools/

Customize ?, 在弹出的对话框中勾选MATLAB add

- in 复选框. 随后VC 就出现了如图1 所示的工具

条,其中第一个按钮的功能就是用来将M - files 添加

到Visual Studio IDE 中的.

图1 图标示例

5 结语

本文对MATLAB 与C/ C + + 和FORTRAN 语

言进行混合编程的常用4 种方法进行了论述. 4 种方

法各有其优势,又各有不足. 其中MEX 文件的方式,

特别是Visual Studio IDE 下混合编程,将MATLAB

和Visual Studio 开发系统相接合,以其功能强大、操

作便利和利于升级维护,具有广泛的使用价值.

参考文献:

[1 ] 刘志俭. MATLAB 应用程序接口用户指南[M] . 北京:科

学技术出版社,2000.

[2 ] 飞思科技产品研发中心. MATLAB6. 5 应用程序接口编

程[M] . 北京:电子工业出版社,2003.

[3 ] 薛定宇. 科学运算语言MATLAB5. 3 程序设计与应用

[M] . 北京:清华大学出版社,2000.

[4 ] 王振义. MATLAB 和Visual C + + 的混合编程[J ] . 雁北

师范学院学报,2002 ,18 (2) :26～29.

[5 ] 马海阳,王艳华,孙道恒. MATLAB 的VC 编程接口浅析

[J ] . 信息技术,2003 ,27 (3) :55～57.

[责任编辑张莉]

第26 卷第6 期陈建平等MATLAB 与C/ C + + 、FORTRAN 语言混合编程551__