自编头文件的C-MEX混合编程

汤俊， 张磊，楼力律

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)



自编头文件的C-MEX混合编程

汤俊， 张磊，楼力律

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

摘要：当使用MATLAB进行大规模数据处理时，一个工程中包含了多个程序，而且各程序需交叉调用多个子程序，这将导致程序执行效率低下。基于VC与MATLAB的自编头文件的C-MEX混合编程可以有效解决这一问题。该方法在C/C++中自编一个头文件，声明需要用到的所有算法实现函数，并在另外的程序中编写这些函数的代码，通过mexFunction接口函数实现VC与MATLAB混合编程。

关键词：C/C++；MATLAB；C-MEX；自编头文件；混合编程

0引言

MATLAB在科学研究与工业技术开发方面有着极为广泛的应用，具有强大的矩阵运算、数据处理和图形显示功能，其输出结果可视化，编程效率极高，极少的代码即可实现复杂的运行。利用这一完整的数学平台，用户可以快速实现十分复杂的功能，极大地提高了工程分析计算的效率。但与其他高级程序相比，Matlab 使用一种脚本语言，它的执行是逐行解释执行的，也就是边解释边执行，执行效率非常低，这就是常常看到的在开发一些复杂的算法时，通常会发现程序执行很慢[1]。

C/C++语言是目前最为流行的高级程序设计语言之一[2]。它的功能丰富、表达力强、使用灵活方便、应用面广、目标程序高、可植入性好，适合作为系统描述语言，既可以用来编写系统软件，也可以用来编写应用软件。在工程实践中，用户使用MATLAB进行大规模数据处理时，会碰到复杂的循环语句程序，以及多程序调用多算法函数的情况。MATLAB往往由于执行效率的问题而显得力不从心，这时可以使用C/C++语言进行算法的设计，然后在MATLAB环境中调用，从而大大提高数据处理的效率[3]。在C/C++与MATLAB混合编程过程中，使用C-MEX文件是一种常用的方法。本文基于MATLAB7.0和VC6.0开发环境，自编声明算法实现函数的头文件，在接口函数mexFunction()程序中包含该头文件，实现C-MEX的混合编程。

1MEX文件的环境配置

实现MEX文件的编写与编译首先需要对MEX编译器进行配置，生成配置文件[1]。对MATLAB编译应用程序mex的配置命令为：

>>mex -setup

然后按系统提示进行选择，本文选择Microsoft Visual C++ 6.0作为编辑器。

2MATLAB调用自编头文件的MEX文件

所谓MEX是MATLAB Executable的缩写，它是一种“可在Matlab 中调用C(或Fortran)语言的衍生程序”[4]。C语言MEX文件的源程序主要由两个截然不同的部分组成，分别用于完成不同任务。第一部分称为计算程序，它包含了所有实际需要完成计算功能的源代码，用来完成实际的计算工作，即用户以前所编写的算法和程序；第二部分称为入口子程序，它是计算子程序同MATLAB环境之间的接口，用来完成两者之间的通信任务。它定义被MATLAB调用外部子程序的入口地址，MATLAB系统向子程序传递的子程序参数、子程序向MATLAB系统返回的结果参数，以及调用计算功能子程序等[1]。MEX源文件的两个组成部分既可以存放在一个文件中，也可以分为两个文件来存放。

当MEX源文件的计算程序和入口子程序分开存放时，即算法实现函数和接口函数mexFunction()分别在两个程序中，这时可以自编一个头文件，声明该算法实现函数，然后在新的程序中定义算法实现函数。注意编写的入口子程序必须包含自编的头文件。主要实现步骤如下：

1) VC6.0的编译环境设置。添加相应的头文件的路径：打开菜单【Tools：Options...】选择”Directories”选项卡。在”Show Directories for”组合框中选取”Include files”，添加”D:PROGRAM FILESMATLABR2010AEXTERNINCLUDE”；添加相应的库文件的路径：在”Show Directories for”中选取”Library files”添加”D:PROGRAM FILESMATLABR2010AEXTERNLIBWIN32MICROSOFT”；注意根据用户MATLAB安装位置，修改相应目录。

2) 创建工程，并在工程中添加入口子程序和计算程序两个C文件。

3) 在工程中添加声明计算程序中定义的算法实现函数的自编头文件。

4) 为工程添加DEF文件。

5) VC6.0的工程设置。添加需链接的库文件：打开菜单【Project：Setting】选取”Link”选项卡，在”Object/Library Modules”里添加libmx.lib、libmat.lib、libmex.lib和libeng.lib；动态库调试程序路径的设置：打开菜单【Project：Setting】选取”Debug”选项卡，在”Executable debug for session”中选择matlab.exe作为调试程序。

6) 调试程序，生成可执行mex文件。

3实例说明

下面通过一个简单的实例说明MATLAB如何调用含自编头文件C/C++生成可执行mex文件。

有一个用C语言写的函数，实现了一个功能，如一个简单的函数：

double add(double x,double y)

{return x+y;}

通过C-MEX混合编程生成mex文件实现在MATLAB使用它，如输入：

>>a=add(1.1,2.2)

a= 3.3000

mex文件实际上是一个特别的动态链接库，输出函数为mexFunction()。当使用C-MEX混合编程时，使用C/C++中的Win32 Dynamic Link Library、MFC APPWizard(DLL)静态链接库和扩展MFC动态链接库创建MEX程序[3]。首先根据章节2的步骤1做好VC6.0编译环境设置。这里新建一个MFC AppWizard(dll)工程，工程名为add，选择使用静态连接的MFC的DLL。在工程中添加入口子程序add.c、计算程序a.c、自编头文件add.h。为了方便读者阅读，将主要程序代码源代码整理如下：

//add.c

/*add.c中存放入口子程序*/

#include"add.h"/*add.h头文件中声明

计算实现功能函数aad()*/

#include"mex.h"

void mexFunction(int nlhs,mxArray

*plhs[], int nrhs,const mxArray *prhs[])

/*实现接口功能*/

{

double *a;

double b, c;

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

a = mxGetPr(plhs[0]);

b = *(mxGetPr(prhs[0]));

c = *(mxGetPr(prhs[1]));

*a = add(b, c);

/*调用计算实现功能函数aad()*/}

//add.h

/*add.h中声明计算实现功能函数add()*/

double add(double x,double y);

//a.c

/*a.c中存放计算实现函数代码*/

#include”add.h”

#include”mex.h”

double add(double x,double y)

{

return x+y;

}

根据章节2的步骤5做好工程设置后，打开该工程DEF文件，并对其内容进行编辑，即在Exports后面添加一行”;mexFunction()”。按F5运行程序调试，编译连接通过后，MATLAB作为调试路径自动启动。在Command Window里输入：

>>mex -v add.c a.c

成功生成add.mexw32，MATLAB便可以像调用m文件那样直接调用该文件。在MATLAB的Command Window里输入：

>> a=add(1.1,2.2)

a=3.3000

这与单独使用C/C++编写程序的运行结果一致。上述实例中只含有一个子程序a.c。如果入口子程序需调用多个算法函数，只需要在自编的头文件add.h中声明这些函数，在新的子程序中编写算法函数代码。需要注意的是在MATLAB的Command Window里输入的mex命令需包含主程序(入口程序)以及所有的子程序。

4结语

简单阐述了基于VC和MATLAB的自编头文件的C-MEX混合编程方法，实现了两种编程语言的无缝链接。对于多程序调用多个子程序的复杂情况，该方法可供工程人员进行参考，方便编程，提高数据处理效率。

参考文献:

[1] 王素立, 高洁, 孙新德. MATLAB混合编程与工程应用[M]. 北京：清华大学出版社, 2008.05.

[2] 钱能. C++程序设计教程[M]. 北京：清华大学出版社, 2005.

[3] 张亮，王继阳. MATLAB与C/C++混合编程[M]. 北京：人民邮电出版社，2008.11.

[4] 董长虹. Matlab接口技术与应用[M]. 北京：国防工业出版社, 2004.

C-MEX Mixed Programming with Self-compiled Header File

TANG Jun， ZHANG Lei，LOU Li-lu

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China)

Abstract:For large-scale data processing in MATLAB, multiple programs exist in a project and each program needs to cross-call multiple subprograms,so the execution efficiency of the program is low.The C-MEX mixed progrmming method based on VC and MATLAB can be used to deal be with this problem very well.In this method,by writting a self-compiled header file to declare all the algorithm implementation functions whose codes can be written in other programs,and using mexFunction as a interface function,mixed programming of VC and MATLAB can be realized.

Keywords:C/C++;MATLAB;C-MEX;self-compiled header file;mixed programming

中图分类号：TP311

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)02-0101-02

作者简介：汤俊(1986-)，男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要研究方向为等几何分析与结构优化设计。

收稿日期：2014-11-04