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MATLAB与C++的接口问题

发布时间：2019-02-01 02:41:58 来源：文档文库

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发信人: zjliu (Robusting), 信区: Matlab

标题: MATLAB与C++的接口问题(zz)

发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Nov 22 12:34:29 2002) , 转信

摘自北京理工大学BBS

MATLAB是什么东东？不用我多说了，大批的高手会告诉你它的无数好处。但是MATL

AB程序存在的一般问题是：

1、运算速度较慢，特别是有for i=1:???

for j=1:???

......

end

end时，那你就死定了。

2、无法脱离MATLAB环境运行，虽然你可以用MATLAB自带的工具把M文件转成可执行程序，但是执行时，你只能看到一个黑黑的窗口，难道，这就是......Windows? $%&%^ $##%&。

3、GUI功能差。许多大侠不愿意看到2中所述的DOS-Windows界面，于是使用了MATL

AB带的GUI生成工具。（不要扔臭鸡蛋！我知道你用Graphic Editor改了一下界面，发现以前的工作全都白做了——因为被覆盖了，西西）但是MATLAB提供的控件和事件实在有限。GUI界面做好后放在机器里，向尚未进实验室的师妹（们）炫耀一下，还勉强可以增加一些魅力值。如果被专家看到了，西西。只怕效果不太美妙。

因此，如果能够实现MATLAB与VC或者BC或者C++BUILDER等可视化设计语言的交互，提高速度，美化界面，使程序更符合Windows的规范，同时又利用MATLAB的强大功能，对任何人来说都很有意义。

我在课题中涉及到了部分MATLAB与C++的接口知识，在这里总结出来，算是抛砖引玉

吧。其中错误以及偏颇的地方，尚请各位大侠以及高手多多指教，谢谢！

（一）接口种类

用C++（或者C）语言操作MATLAB，有三种途径：

·MEX文件

在MATLAB中可调用的C或Fortran语言程序称为MEX文件。MATLAB可以直接把MEX文件视为它的内建函数进行调用。MEX文件是动态链接的子例程，MATLAB解释器可以自动载入并执行它。MEX文件主要有以下用途：

对于大量现有的C或者Fortran程序可以无须改写成MATLAB专用的M文件格式而在MATLAB中执行。

对于那些MATLAB运算速度过慢的算法，可以用C或者Fortran语言编写以提高效率。

·MAT文件应用程序

MAT文件是MATLAB专用的用于保存数据至磁盘和向MATLAB导入、从MATLAB导出数据的

数据文件格式。MAT文件提供了一种简便的机制，它允许你在两个平台之间以灵活的方式

移动数据。而且，它还提供了一种途径来向其它单机MATLAB应用导入或者导出数据。

为了简化在MATLAB环境之外对MAT文件的使用，MATLAB给出了一个操作例程库，通过

它，我们可以使用C/C++或者Fortran程序读写MAT文件。

·引擎应用程序

MATLAB提供了一系列的例程使得别的程序可以调用MATLAB，从而把MATLAB用作一个计算引擎。MATLAB引擎程序指的是那些通过管道（在UNIX系统中）或者ActiveX（在Windows系统中）与独立MATLAB进程进行通信的C/C++或者Fortran程序。

MATLAB同样提供了一个函数库来启动或者结束MATLAB进程、与MATLAB交换数据以及发送MATLAB命令。

（二）MEX文件

1、一个MEX的例子

#include "mex.h"

/*

* timestwo.c - example found in API guide

*

* Computational function that takes a scalar and doubles it.

*

* This is a MEX-file for MATLAB.

*/

/* $Revision: 1.5 $ */

/* 本MEX文件的目的是实现timestwo的功能

void timestwo(double y[], double x[])是你的C++函数 */

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

{

y[0] = 2.0*x[0];

}

/*下面这个mexFunction的目的是使MATLAB知道如何调用这个timestwo函数*/

void mexFunction( int nlhs, mx *plhs[],

int nrhs, const mx *prhs[] )

/* nlhs是MATLAB命令行方式下输出参数的个数；

*plhs[]是MATLAB命令行方式下的输出参数；

nrhs是MATLAB命令行方式下输入参数的个数；

*prhs[]是MATLAB命令行方式下的输入参数； */

{

double *x,*y;

int mrows,ncols;

/* Check for proper number of arguments. */

if(nrhs!=1) {

mexErrMsgTxt("One input required.");

} else if(nlhs>1) {

mexErrMsgTxt("Too many output arguments");

}

/* 在MATLAB命令行方式下，本MEX文件的调用格式是y=timestwo(x)

输入参数（x）个数＝1，输出参数（y）个数＝1，所以在程序一

开始就检查nrhs是否＝1以及nlhs是否>1（因为MATLAB有一个缺省

输出参数ans，所以nlhs可以=0 */

/* The input must be a noncomplex scalar double.*/

mrows = mxGetM(prhs[0]); /* 获得输入矩阵的行数 */

ncols = mxGetN(prhs[0]); /* 获得输入矩阵的列数 */

if( !mxIsDouble(prhs[0]) || mxIsComplex(prhs[0]) ||

!(mrows==1 && ncols==1) ) {

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

} /* 判断输入矩阵是否是double类，以及它是否只包括单个元素 */

/* 为输出创佳一个矩阵，显然这个矩阵也应该是1x1的 */

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

/* 获得指向输入/输出矩阵数据的指针 */

x = mxGetPr(prhs[0]);

y = mxGetPr(plhs[0]);

/* 调用C++函数timestwo(y,x) */

timestwo(y,x);

}

把上面这个文件用MEX编译后，MATLAB命令行下调用的实例

x = 2;

y = timestwo(x)

y =

4

2、MEX文件的编程规则

（1）编制自己的C++算法程序

（2）紧跟着定义mexFunction函数，mexFunction的定义法唯一：

它只能是如下形式:

void mexFunction( int nlhs, mx *plhs[],

int nrhs, const mx *prhs[] )

其名称和参数类型不许有任何改变，在mexFunciton函数中可以调用你刚定义好的C

++程序。

3、MEX文件的编译

MATLAB提供了专门编译MEX文件的工具：mex，它可以把你做好的C++源程序编译成

.mex文件供MATLAB在命令行方式下调用。调用时输入你的C++函数名（上例中为timestw

o）。具体mex的设置和使用方法可以在MATLAB命令行方式下用help mex命令获得。

（三）MAT文件

1、概述

.MAT文件是MATLAB专用的数据存储格式，由于MATLAB提供了一套可供MATLAB调用的

API函数集，所以我们完全可以在C++中访问.MAT文件。这样做的意义是：你可以把计算

过程留给MATLAB，而用C++对计算结果进行分析或者可视化处理。

2、接口

MATLAB提供的API函数集封装于下面两个标准DLL文件中：libmat.dll, libmx.dll。

前者用于对MAT文件的操作，后者用于对MAT文件中矩阵的操作。他们的存放路径为：

ATLAB>\bin。

在\extern\include中有与前面两个DLL对应的DEF文件：

libmat.edf, libmx.dbf。其导出函数的原型位于同一目录下的

mat.h和matrix.h中

有了这些DLL、DEF、H文件，该怎么用C++调用API函数就不用我多说了吧。

3、MATLAB中常用的矩阵类型

·（复）双精度矩阵（Complex Double-Precision Matrices）

MATLAB中最常用的数据类型便是（复）双精度、非稀疏矩阵，这些矩阵的元素都是

双精度（double）的，矩阵的尺寸为m×n，其中m是总行数，m是总列数。矩阵数据实际

存放在两个双精度向量中——一个向量存放的是数据的实部，另一个向量存放的是数据

的虚部。指向这两个向量的指针一般被写做“pr” （pointer to real data，指向实数

据的指针）和“pi” （pointer to imaginary data，指向虚数据的指针）”。如果一

个矩阵的pi为空的话，说明它是实双精度矩阵。

·稀疏矩阵（Sparse Matrices）

MATLAB中稀疏矩阵的存储格式与众不同。如同双精度矩阵一样，它拥有参数pr和pi

，同时它还具用三个附加的参数：nzmax，ir以及jc。

nzmax是个整型数，其值为向量ir及pr、pi（如果存在的话）可能的最大长度。它是

稀疏矩阵中不为零的元素的个数。

ir指向一个长度为nzmax的整型数阵列，阵列包含的是pr和pi中对应元素的行号。

jc指向一个长度为N+1的整型数阵列（N为矩阵的列数），其中包含的是列号信息。

对于任意的j，如果0≤j≥N-1，jc[j]是第j列中第一个非零项在ir、pr（以及pi）中的

序号，jc[j+1]-1是第j列最后一个非零项的序号。因此jc[N]总等于nnz——矩阵中非零

项的总个数。如果nnz小于nzmax，可以继续向矩阵中添加非零项而无需分配额外的存储

空间

。

4、主要函数举例：

·MATFile *matOpen(const char *filename, const char * mode)——打开/创建

一个MAT文件；

·int matClose(MATFile *pMF)——关闭一个MAT文件；

·mx *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity flag)

——创建一个（复）双精度矩阵；

·mx *mxCreateSparse(int m, int n, int nzmax, mxComplexity flag)

——创建一个稀疏矩阵；

·mx *matGetNext(MATFile *pMF)——获得MAT文件里面下一个矩阵；

·const char *mxGetName(const mx *pa)——获得矩阵pa的名称；

·void mxSetName(mx *pa,const char *s)——为矩阵pa设置一个名称；

·int mxGetM(const mx *pa)——获得矩阵pa的总行数；

·int mxGetN(const mx *pa)——获得矩阵pa的总列数；

·double *mxGetPr(const mx *pa)——获得矩阵pa的pr指针；

·int *mxGetIr(const mx *pa)——获得稀疏矩阵pa的ir指针；

·int *mxGetJc(const mx *pa)——获得稀疏矩阵pa的jc指针；

·int matPut(MATFile * pMF, const mx * pA)

——把矩阵pA存储入MAT文件pMAF；

·void mxDestroy(mx *pa)——释放矩阵pa（把它从内存中撤销）；

5、两个例子：

·获取一个MAT文件中第一个矩阵的信息

typedef struct {

char szFileName[256];

MATFile* pMatFile;

mx* p;

char szName[64];

char szErrMsg[256];

unsigned int nDim[2];

bool bIsSparse;

} MATFileStruct;

int GetMATFileStruct(MATFileStruct *pMAThdr)

{

if((pMAThdr->pMatFile=matOpen(pMAThdr->szFileName,"r"))==NULL)

{ strcpy(pMAThdr->szErrMsg,"Can't open this mat file");

return(0);

}/*打开一个MAT文件*/

if((pMAThdr->p=matGetNext(pMAThdr->pMatFile))==NULL)

{ strcpy(pMAThdr->szErrMsg,"Can't get arrays");

matClose(pMAThdr->pMatFile);

return(0);

}/*获取MAT文件中的第一个矩阵*/

pMAThdr->nDim[0]=mxGetM(pMAThdr->p); /*获取其行数*/

pMAThdr->nDim[1]=mxGetN(pMAThdr->p); /*获取其列数*/

strcpy(pMAThdr->szName,mxGetName(pMAThdr->p)); /*获取其名称*/

pMAThdr->bIsSparse=mxIsSparse(pMAThdr->p); /*判断它是否是系数矩阵*

/

mxDestroy(pMAThdr->p); /*在内存中撤销这个矩阵*/

matClose(pMAThdr->pMatFile); /*关闭MAT文件*/

return(1);

}

·创建稀疏矩阵并赋值

int i,j,k,m,n,nzmax,*ir,*jc;

double *pr;

unsigned short *pData;

mx *pa; file://初始化。

m=pLCMShdr->TrueHdr.nDim[0]; file://获得原矩阵行数。

n=pLCMShdr->TrueHdr.nDim[1]; file://获得原矩阵列数。

nzmax=0;

for(i=0;i

{ if(pData[i]!=0)

nzmax++;

} file://计算数据中非零元个数。

if(nzmax

nzmax=n;

pa=mxCreateSparse(m,n,nzmax,mxREAL); /*创建一个空的稀疏矩阵pa。*/

mxSetName(pa,pLCMShdr->TrueHdr.szName); /*为稀疏矩阵pa设置名称。*/

pr=mxGetPr(pa); file://获得pa的pr指针。

ir=mxGetIr(pa); file://获得pa的ir指针。

jc=mxGetJc(pa); file://获得pa的jc指针。

k=0;

for(j=0;j

{ jc[j]=k; file://jc[j]：截至到第j列非零元的个数。

for(i=0;i { if(pData[i]!=0) file://如果第j列第i行的元素是个非零元。

{ ir[k]=i; file://记录下第k个非零元的行号。

k++;

}

pData+=m; file://移动pData指针到下一列。

}

jc[n]=k; file://jc[n]等于矩阵中非零元的个数。

matPut(pmat,pa); file://把稀疏矩阵pa存入MAT文件pmat。

mxDestroy(pa); file://从内存中撤销矩阵pa。

（五）引擎应用程序

1、简介

引擎应用程序的实质是把MATLAB做为一个引擎，它允许从你自己的C++程序调用这个

引擎。在运行时，引擎作为一个进程单独运行，你的C++程序也作为一个进程单独运行，二者可以通过进程间的通信机制进行交互。

2、引擎库

MATLAB引擎库包含了若干个控制MATLAB引擎的函数，如下所示：

engOpen 启动MATLAB引擎

engClose 关闭MATLAB引擎

engGet 从MATLAB引擎中获取一个MATLAB矩阵

engPut 向MATLAB引擎发送一个MATLAB矩阵

engEvalString 执行于一个MATLAB命令

engOutputBuffer 创建一个存储MATLAB文本输出的缓冲区

同时，引擎应用程序还可以使用前面提到的API函数。

3、一个例子

从这个示例中，我们看出引擎应用程序是如何编制的：

/* $Revision: 1.3 $ */

/*

* engdemo.c

*

* This is a simple program that illustrates how to call the

* MATLAB engine functions from a C program.

*

*/

#include

#include "engine.h"

#define BUFSIZE 256

int main()

{

Engine *ep;

mx *T = NULL, *result = NULL;

char buffer[BUFSIZE];

double time[10] = { 0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0,

8.0, 9.0 };

6-6

/*

* Start the MATLAB engine locally by executing the string

* "matlab".

*

* To start the session on a remote host, use the name of

* the host as the string rather than \0

*

* For more complicated cases, use any string with whitespace,

* and that string will be executed literally to start MATLAB.

*/

if (!(ep = engOpen("\0"))) {

fprintf(stderr, "\nCan't start MATLAB engine\n");

return EXIT_FAILURE;

} /*启动MATLAB引擎*/

/*

* PART I

*

* For the first half of this demonstration, we will send data

* to MATLAB, analyze the data, and plot the result.

*/

/*

* Create a variable for our data.

*/

T = mxCreateDoubleMatrix(1, 10, mxREAL); /*创建一个矩阵*/

mxSetName(T, "T"); /*设置矩阵的名字为“T”*/

memcpy((void *)mxGetPr(T), (void *)time, sizeof(time)); /*向矩阵“T”赋值

*/

/*

* 把矩阵“T”置入MATLAB引擎

*/

engPut(ep, T)

/*

* Evaluate a function of time, distance = (1/2)g.*t.^2

* (g is the acceleration due to gravity).

*/

engEvalString(ep, "D = .5.*(–9.8).*T.^2;"); /*执行MATLAB

命令：D = .5.*(–9.8).*T.^2；*/

/*

* 绘制图象.

*/

engEvalString(ep, "plot(T,D);"); /*执行MATLAB命令：绘图*/

engEvalString(ep, "title('Position vs. Time for a falling

object');"); /*执行MATLAB命令：给图象加标题*/

engEvalString(ep, "xlabel('Time (seconds)');"); /*执行MATLAB命令：设置X轴

坐标*/

engEvalString(ep, "xlabel('Time (seconds)');"); /*执行MATLAB命令：设置X轴

坐标*/

engEvalString(ep, "ylabel('Position (meters)');"); /*执行MATLAB命令：设置

Y轴

坐标*/

/*

* Use fgetc() to make sure that we pause long enough to be

* able to see the plot.

*/

printf("Hit return to continue\n\n");

fgetc(stdin);

/*

* We're done for Part I! Free memory, close MATLAB engine.

*/

printf("Done for Part I.\n");

mxDestroy(T); /*从内存中撤销矩阵“T”*/

engEvalString(ep, "close;"); /*关闭刚才显示图象的窗口*/

/*

* PART II

*

* For the second half of this demonstration, we will request

* a MATLAB string, which should define a variable X. MATLAB

* will evaluate the string and create the variable. We

* will then recover the variable, and determine its type.

*/

/*

* Use engOutputBuffer to capture MATLAB output, so we can

* echo it back.

*/

engOutputBuffer(ep, buffer, BUFSIZE); /*构建MATLAB文本输入缓冲区*/

while (result == NULL) {

char str[BUFSIZE];

/*

* Get a string input from the user.

*/

printf("Enter a MATLAB command to evaluate. This

command should\n");

printf("create a variable X. This program will then

determine\n");

printf("what kind of variable you created.\n");

printf("For example: X = 1:5\n");

printf(">> "); /*要求用户输入一个MATLAB命令*/

fgets(str, BUFSIZE–1, stdin); /*获得用户输入*/

/*

* Evaluate input with engEvalString.

*/

engEvalString(ep, str); /*执行用户输入的MATLAB命令*/

/*

* Echo the output from the command. First two characters

* are always the double prompt (>>).

*/

printf("%s", buffer+2); /*显示该MATLAB命令的执行情况*/

/*

* Get result of computation.

*/

printf("\nRetrieving X...\n");

if ((result = engGet(ep,"X")) == NULL) /*判断是否可以从MATLAB

引擎中获得矩阵“X”*/

printf("Oops! You didn't create a variable X.\n\n");

else

printf("X is class %s\t\n", mxGetClassName(result)); /*显示矩阵“X”

的类型*/

} /* while(result==NULL)*/

/*

* We're done! Free memory, close MATLAB engine and exit.

*/

printf("Done!\n");

mxDestroy(result); /*从内存中撤销矩阵“T”*/

engClose(ep); /*关闭MATLAB引擎*/

return EXIT_SUCCESS; /*返回*/

}

4、引擎应用程序的编译

对于象上例中的控制台程序，可以在MATLAB命令行中直接使用带-f参数的mex命令编

译。

如果在普通win32 application中使用MATLAB引擎，情况则比较复杂。在Windows中

，MATLAB引擎是通过ActiveX被调用的。因此你需要先Create一个OLE Automation Seve

r和一个OLE Client，然后通过OLE方式调用这个MATLAB引擎。具体做法可参阅相关MATL

AB随机文档。

5、总结

MATLAB引擎的调用与其它引擎（例如数据库引擎）的调用很类似，其步骤是联接\启

动引擎，然后向引擎发送命令，获得引擎处理结果。

结束语

上面简要介绍了MATLAB与C++的几种接口方式，我们可以根据要求的不同采用相应的

方式。

此外，MATLAB还提供了一个数学库，由此数学库，我们可以获得对MATLAB内部命令

更多的访问权和更灵活的访问方式。具体内容可参考MATLAB的相关随机文档。

·参考文献

1、MATLAB随机文档：apiguide.pdf

2、MATLAB随机文档：apiref.pdf

3、MATLAB随机文档：c_math_ref1.pdf

·致谢

感谢loverboy的鼓励，他声称要把这些帖子放到他的主页上，才使得我能够在短时

间完成这篇接口问题的文章，西西。

·备注

mex编译器在VC6下的设置可参阅本板19#文

Bluesky的意见：

VC程序员最好用visual matcom。VB用matrixVB mathtool在主页上提供免费试用，

快去下吧。matlab的功能可在你的VC,VB中实现，而且只需两个dll即可发行。

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