摘要：Matlab具有很強的數值計算和分析等能力,而C/C++是目前最為流行的高階程式設計語言,兩者互補結合的混合程式設計在科學研究和工程實踐中具有非常重要的意義。從Matlab呼叫C/C++程式碼及C/C++呼叫m檔案兩方面,深入地研究了它們之間混合程式設計的原理和實現機制,並且給出了具體條件下的混合程式設計方法和步驟。實驗表明,給出的Matlab與C/C++混合程式設計介面及應用方法是有效、實用的。

1引言

Matlab是當前應用最為廣泛的數學軟體，具有強大的數值計算、資料分析處理、系統分析、圖形顯示甚至符號運算等功能[1]。利用這一完整的數學平臺，使用者可以快速實現十分複雜的功能，極大地提高工程分析計算的效率

[2][3]。但與其他高階程式[3]相比，Matlab程式是一種解釋執行程式，不用編譯等預處理，程式執行速度較慢[4]。

C/C++語言是目前最為流行的高階程式設計語言之一[5]。它可對作業系統和應用程式以及硬體進行直接操作，用C/C++語言明顯優於其它解釋型高階語言，一些大型應用軟體如 Matlab 就是用C語言開發的。

　　在工程實踐中，使用者經常遇到Matlab與C/C++混合程式設計的問題。本文基於Matlab 6.5和VC6.0開發環境，在Windows平臺下就它們之間的混合程式設計問題進行深入研究並舉例說明。

2  Matlab呼叫C/C++

Matlab呼叫C/C++的方式主要有兩種：

利用MEX技術和呼叫C/C++動態連線庫。

　　在Matlab與C/C++混合程式設計之前，必須先對Matlab的編譯應用程式mex和編譯器mbuild進行正確的設定[1]：

　　對Matlab編譯應用程式mex的設定：Mex –setup.

　　對Matlab編譯器mbuild的設定：Mbuild –setup.

2.1呼叫C/C++的MEX檔案

MEX是Matlab Executable的縮寫，它是一種“可在Matlab中呼叫的C(或Fortran)語言衍生程式”[6]。MEX檔案的使用極為方便，其呼叫方式與Matlab的內建函式完全相同，只需在Matlab命令提示符下鍵入MEX檔名即可。

一個C/C++的MEX源程式通常包括4個組成部分，其中前3個是必須包含的內容，第4個則根據所實現的功能靈活選用:(1)#include “mex.h”;(2)MEX檔案的入口函式mexFunction, MEX檔案匯出名必須為mexFunction函式;(3)mxArray;(4)API函式

　　通過簡單的例子說明C/C++的MEX源程式編寫和呼叫過程:

#include "mex.h"

void  timeSTwo(double y[], double x[])

{  y[0] = 2.0*x[0];  }

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

{

double *x,*y;  int  mrows, ncols;

if( nrhs!=1)  mexErrMsgTxt("One input required.");

else if( nlhs>1) mexErrMsgTxt("Too manyoutput arguments");

mrows = mxGetM( prhs[0] );  ncols = mxGetN(prhs[0]);

if( !mxIsDouble(prhs[0]) || mxIsComplex( prhs[0] ) || !( mrows ==1 && ncols==1 ) )

mexErrMsgTxt( "Input must be a noncomplex scalar double." );

plhs[0] = mxCreateDoubleMatrix (  mrows,  ncols,  mxREAL );

x = mxGetPr( prhs[0] );   y = mxGetPr( plhs[0] );timestwo(y,x);}

　可在matlab中編譯，也可以直接在C++環境中編譯：　

1）.（在matlab中）用指令mex  timestwo.c編譯此檔案，然後在MATLAB命令列下呼叫生成的MEX檔案即可。2). （在VC2008中）和一般c++一樣編譯後，就會產生dll，這樣可以直接在Matlab中用了，或者copy且更改字尾名.mexw32即可。（因為Matlab R2010b以後版本可能不支援呼叫dll為字尾的mex檔案了）

2.2呼叫C/C++動態連線庫（即：一般普通的C程式dll沒有用mex的介面函式）

Matlab提供對動態連線庫DLL檔案的介面[7]。利用該介面，可在Matlab中呼叫動態連線庫匯出的函式。Matlab對DLL的介面支援各種語言編寫的DLL檔案。在呼叫DLL檔案之前，需要準備函式定義的標頭檔案。對於C/C++語言開發的DLL檔案，可使用源程式中相應的標頭檔案；而對於其他語言開發的DLL，則要手工準備等效的C語言函式定義標頭檔案。

在Matlab中利用動態連線庫介面技術通常需要完成以下4個步驟：

(1)開啟動態連線庫檔案；(2)為呼叫函式準備資料；(3)呼叫動態連線庫檔案中匯出的函式；(4)關閉動態連線庫檔案。

　　為了實現以上步驟，用到的Matlab函式有：loadlibrary, loadlibrary, calllib, libfunctions, lipointer, libstruct, libisloaded。下面舉例說明Matlab呼叫C/C++動態連線庫的方法和步驟：

a.在VC環境下，新建工程->win32動態連線庫->工程名Test1->empty工程->完成；

b.新建->C++原始檔->新增a.cpp,內容為:#include "a.h"

_declspec(dllexport)int  add(int a,  int b)  { return a+b; }

c.新建->C/C++標頭檔案->新增a.h，內容為： _declspec(dllexport)  int  add(int a,intb); 然後編譯生成Test1.dll動態連線庫檔案，將Test1.dll和a.h拷到Matlab 工作目錄下。

d.在Matlab命令列下，呼叫Test.dll：>>loadlibrary(‘Test1’,’a.h’);>>x=7;

>>y=8;>>calllib(‘Test1’,‘add’,x,y);Ans=15  >>unloadlibrary(‘Test1’).

呼叫DLL動態連線庫的方法，為Matlab重用工程實踐中積累的大量實用C/C++程式碼提供了一種簡潔方便的方法。與呼叫MEX檔案相比，該方法更加簡便實用。但是這個介面之支援C，不支援C++庫和函式的過載，這種情況下，推薦用MEX-file，若實在要用這種方法（呼叫C/C++動態連線庫），則對於C++要做一些更改，詳見http://www.mathworks.de/help/techdoc/matlab_external/f43202.html#bq__4nu-1，

3  C/C++呼叫Matlab

　　在工程實踐中，C/C++呼叫Matlab的方法主要有呼叫Matlab計算引擎、包含m檔案轉換的C/C++檔案，以及呼叫m檔案生成的DLL檔案。

3.1利用Matlab計算引擎

Matlab的引擎庫為使用者提供了一些介面函式，利用這些介面函式，使用者在自己的程式中以計算引擎方式呼叫Matlab檔案。該方法採用客戶機/伺服器的方式，利用Matlab引擎將Matlab和C/C++聯絡起來。在實際應用中，C/C++程式為客戶機，Matlab作為本地伺服器。

C/C++程式向Matlab計算引擎傳遞命令和資料資訊，並從Matlab計算引擎接收資料資訊[2]。

Matlab提供了以下幾個C語言計算引擎訪問函式供使用者使用[8]：engOpen，engClose， engGetVariable，engPutVariable，engEvalString，engOutputBuffer，engOpenSingleUse， engGetVisible，engSetVisible。

　　下面以C語言編寫的、呼叫Matlab引擎計算方程x3 ?2x+5=0根的源程式example2.c為例，說明C/C++呼叫Matlab計算引擎程式設計的原理和步驟：

#include <windows.h>  #include <stdlib.h>

#include <stdio.h>  #include "engine.h"

int  PASCAL  WinMain (HANDLE  hInstance,  HANDLE  hPrevInstance,

LPSTR lpszCmdLine,  int nCmdShow )

{

Engine  *ep;  mxArray  *P=NULL,*r=NULL;

char buffer[301];  double poly[4] = { 1,0,-2,5 };

if ( !(ep =engOpen(NULL) ) )

{ fprintf( stderr,"\nCan't start MATLAB engine\n" );  return EXIT_FAILURE; }

P = mxCreateDoubleMatrix( 1, 4, mxREAL);  mxSetClassName( P, "p" );

memcpy( ( char * )  mxGetPr( P ), (char *) poly,  4*sizeof(double) );

engPutVariable( ep, P );  engOutputBuffer( ep, buffer, 300 );

engEvalString( ep, "disp(['多項式',poly2str(p,'x'),'的根']),r=roots(p)" );

MESSageBox(NULL,buffer,"example2展示MATLAB引擎的應用",MB_OK);

engClose( ep );  mxDestroyArray( P );  return EXIT_SUCCESS;

}

在Matlab下執行example2.exe: mex  -f  example2.c。執行結果如圖1所示：

 

利用計算引擎呼叫Matlab的特點是：節省大量的系統資源，應用程式整體效能較好，但不能脫離Matlab的環境執行，且執行速度較慢，但在一些特別的應用[9]（例如需要進行三維圖形顯示）時可考慮使用。

3.2利用mcc編譯器生成的cpp 和hpp檔案

Matlab自帶的C++Complier--mcc，能將m檔案轉換為C/C++程式碼。因此，它為C/C++程式呼叫m檔案提供了另一種便捷的方法。下面舉例說明相應步驟：

a.新建example3.m： function y=exmaple3(n)  y=0;  for i=1:n  y=y+i;  end

　　儲存後在命令視窗中輸入：mcc  -t  -L  Cpp  -h  example3.

　　則在工作目錄下生成example3.cpp和example3.hpp兩個檔案。

b.在VC中新建一個基於對話方塊的MFC應用程式Test2，新增一個按鈕，並新增按鈕響應函式，函式內容見f步。將上面生成的兩個檔案拷貝到VC工程的Test2目錄下。

c.在VC中選擇：工程->設定，選擇屬性表Link選項，下拉選單中選擇Input，在物件 / 庫模組中加入lIBMmfile.lib libmatlb.lib libmx.lib libmat.lib libmatpm.lib sgl.lib libmwsglm.lib libmwservices.lib，（後三個為使用Matlab圖形庫時，需加入）注意用空格分開；而在忽略庫中加入 msvcrt.lib；

d.選擇屬性表C/C++選項，下拉選單選General，在預處理程式定義中保留原來有的內容，並新增MSVC,IBMPC,MSWIND，並用逗號隔開。選擇下拉選單的Precompiled Headers 選項，在“自動使用預補償頁首”中新增stdafx.h，然後確定。

e.選擇:工具-> 選項，屬性頁選擇“目錄”，在include files加入： C:\MATLAB6p5p1\extern\include， C:\MATLAB6p5p1\extern\include\cpp；然後在 Library files裡面加入： C:\MATLAB6p5p1\bin\win32， C:\MATLAB6p5p1\extern\ lib\win32\microsoft\msvc60；注意根據使用者的Matlab安裝位置，修改相應目錄。

f.在響應函式中新增標頭檔案：#include "matlab.hpp"#include "example3.hpp"函式響應程式碼為：

int i;  mwArray n;n=10;  n=example3(n);  i=n.ExtractScalar(1);

CString str;  str.Format( "example3的返回值是:%d", I );  AfxMessageBox( str );

g.編譯，連線，執行，結果如圖2所示。

 

3.3利用mcc編譯器生成的DLL 檔案

Matlab的C++ Complier不僅能夠將Matlab的m檔案轉換為C/C++的原始碼，還能產生完全脫離Matlab執行環境的獨立可執行DLL程式。從而可以在C/C++程式中，通過呼叫DLL實現對 Matlab程式碼的呼叫。下面通過一個簡單的例子說明C/C++呼叫m檔案生成的DLL：

a.建立m檔案example4.m： function result = example4(para)

x=[1 para 3];  y=[1 3 1];  plot( x,y );  result=para*2;  end.然後在命令視窗中輸入：

mcc  -t  -W  libhg: example4  -T  link: lib  -h libmmfile.mlib  libmwsglm.mlib  example4則在工作目錄下會生成example4 .dll、example4 .lib和example4 .h三個檔案。

b.在VC中新建一個基於對話方塊的應用程式Test3，然後新增一個按鈕及按鈕響應函式，函式內容見d步，再將生成的3個檔案拷貝到Test2工程目錄下。

c.VC編譯環境的設定如同3.2節c、d步；

d.在按鈕函式檔案新增如下的標頭檔案：#include "example4 .h"，函式響應程式碼為：

mxArray*para=

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