MATLAB与C_C_FORTRAN语言混合编程

1、第 26卷 第 6期 2004年 12月 三峡大学学报 (自然科学版 J of China Three G orges Univ. (Natural Sciences Vol. 26 No. 6Dec. 2004收稿日期 :2004204206作者简介 :陈建平 (1978- , 男 , 硕士研究生 .MAT LAB 与 C/C +、 FORTRAN 语言混合编程陈建平 罗先启(三峡大学 土木水电学院 , 湖北 宜昌 443002摘要 :对 MA TLAB 与 C/C +和 FOR TRAN 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 M EX 文件

2、实现方式进行了较详细的论述 .关键词 :MA TLAB ; C/C +; FOR TRAN ; 混合编程 中图分类号 :TP313 文献标识码 :A 文章编号 :16722948X (2004 0620547205Mixed Programming T echnology for MAT FORTRANChen Jianping (College of Civil &Hydropower , Y ichang 443002,China Abstract This paper of mixed programming technology for MA TLAB with C/C +an

3、d FOR TRAN discusses the advantages and disadvantages of these methods. Finally ,it speci 2fies the use of M EX 2by examples.K eyw ords MA TLAB ; C/C +; FOR TRAN ; mixed programming technology1 混合编程的意义及其实现方式1. 1 混合编程的意义MA TLAB 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 FOR TRAN 、 C/C

4、 +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 ,MA TLAB 就有些力不从心 , 速度很慢 , 而运用 FOR TRAN 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 MA TLAB 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 FOR TRAN 、 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 MA TLAB 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

5、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 ,MA TLAB 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 MA TLAB 环境下调用 FOR TRAN 、 C/C +语言编写的程序 ; MA T 文件应 用程序 数据输入输出接口 , 用于 MA TLAB 系统 与外 部 环 境 之 间 互 传 数 据 ; 计 算 引 擎 函 数 库 MA TLAB 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

6、应用程序中调 用 1,2. 1. 2. 1 M EX 文件M EX 文件是按照一定格式 , 用 FOR TRAN 或 C/C +语言编写的源程序 , 在 MA TLAB 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 MA TLAB 附带的批处理 mex. bat 来编 译 生 成 文 件 后 缀 名 为 . dll (Dynamic Link Li 2brary 动态链接库文件 , 该文件可在 MA TLAB 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 M EX 文件方式 , 是重复利用已有 FOR 2TRA

7、N 、 C/C +程序 , 让 MA TLAB 和 FOR TRAN 、 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 MA TLAB 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 MA T 文件应用程序MA TLAB 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 MA T 文件 , MA T 文件应 用程序提供了一种方法让 MA TLAB 与其它软件进 行数据输入输出 .1. 2. 3 MA TLAB 计算引擎MA TLAB 引擎采用客户机 /服务器的计算模式 , 通过对 Activex 技术

8、的支持 , 实现 VC 应用程序 (客户 机 与 MA TLAB (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 MA TLAB 计算分析 的 应 用 程 序 , 使 用 MA TLAB 引擎是很好的选择 . 在实际应用中 ,MA T 2 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 ,MA TLAB ,MA TLAB , , 而且应用程序 与 MA TLAB , 整 个算法在 MA TLAB 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

9、和 MA TCOM前面提到的几种方式都是以 MA TLAB 为主 , 程 序的运行都离不 MA TLAB 环境 . 除此之外 , 另一种 方式就是将 MA TLAB 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 . MA T 2 LAB 自己提供了 C 语言翻译程序 mcc , 另一种是原 第 3方公司 Math Tools 开发的 MA TCOM. 后者出现 较早 , 功能远比 MA TLAB 自己的翻译程序强大 , 所 以 Math Tools 公司已经被 MathWorks 公司收购 , 并 已将其开发技术融于新推出的 MA TLAB 6. 0(Re 2

10、lease 12 中 . 但二者都不完善 , 有大量的 MA TLAB 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 MA TLAB 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 M EX 文件的实现包括 , 源程序的 编辑 、 M EX 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 M EX 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 MA TLAB 和 C/C +语言

11、通信协议 入口子程序 . 我们首先 看一个极简单的 C 语言 M EX 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 y0=x0+z0;/3以下是入口子程序 3/void mexFunction (,mxArray 3plhs,intx 3y , 3z ;int mrows0,ncols0;int mrows1,ncols1;/3检查输入输出变量个数 3/if (nrhs ! =2

12、mexErrMsgTxt (” Two inputs arquired ” ;elseif (nlhs >1 mexErrMsgTxt (” Too many output arguments ” ;/3输入量必须是两个非复数 double 类型 3/ mrows0=mx G etM (prhs0 ;ncols0=mx G etN (prhs0 ;if (! mxIsDouble (prhs0 |mxIsComplex (prhs 0 |! (mrows0=1&&ncols0=1 mexErrMsgTxt (” Inputs must be all noncomplex

13、scalar double. ” ;mrows1=mx G etM (prhs1 ;ncols1=mx G etN (prhs1 ;if (! mxIsDouble (prhs1 |mxIsComplex (prhs 1 |! (mrows1=1&&ncols1=1 mexErrMsgTxt (” Inputs must be all noncomplex scalar double. ” ;if (mrows0! =mrows1|ncols0! =ncols1 mexErrMsgTxt (” Inputs must be same dimen 2 sion. ” ;/3为返回

14、参数创建矩阵 3/plhs 0=mxCreateDoubleMatrix (mrows0, ncols0,mxREAL ;x =mx G et Pr (prhs0 ;z =mx G et Pr (prhs1 ;845三 峡 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 2004年 12月y =mx G et Pr (plhs0 ;/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 M EX 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

15、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 +、 FOR TRAN 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 MA TLAB 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 MA T 2 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 .MA 2 LAB API 函数 , . mexFunction (, : void mexFunctio

16、n (,mxArray 3plhs,int nrhs ,const mxArray 3prhs /一些必要的代码 , 用来完成 MA TLAB 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 M EX 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 . mexErrMsg Txt (, 用于输出错误信息 , 并返回到 MA TLAB 命令提示符下 .mx G etM (和 mx G etN ( , 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 mr

17、ows0= mx G etM (prhs0 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 .mxCreateDoubleMatrix (int m ,int n ,mxComplex 2 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 .mx G et Pr (获得矩阵实数部分的指针

18、 , 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 .MA TLAB API 函数还包含其它许多接口函数 , 分为 mx 2函数和 mex 2函数 , 详细情况可查阅相关文 献 .M EX 源程序编写完成后 , 还要经过编译后才能 生成 dll 文件 , 供 MA TLAB 或其它程序调用 , 编译前 要对 MA TLAB 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 MA TLAB 的 配 置 文 件 (mexopts. bat 进行的 , 其具体过程为 :在 MA TLAB 命令窗口下键入 :mex2steup , 随后系统弹出一个 DOS

19、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 , TLAB 命令提示符 , 为需编译的源程 , , 修改源程序 、 调 . 编译通过生成的可执行 , 可在 MA TLAB 命令提示符下或其它程 序中调用 .3 FORTRAN 语言 MEX 文件的实现FOR TRAN 语言 M EX 文件的实现步骤和 C/C +语言 M EX 文件大体相同 .3. 1 FOR TRAN 语言 M EX 文件的编写MA TLAB 提供了 C/C +和 FOR TRAN 两种 语言的接口 ,

20、 基于 FOR TRAN 语言和前面讲到的基 于 C/C +语言的 M EX 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 FOR TRAN 语言 M EX 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 38x ,y ,zy =x +zreturnend! 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

21、 库函数的声明integer mx G et Pr ,mxCreateFullinteger mx G etM ,mx G etN ,mxIsNumeric! 程序内部使用变量的声明945第 26卷 第 6期 陈建平等 MA TLAB 与 C/C +、 FORTRAN 语言混合编程integer xpr ,ypr ,zprinteger mrows ,ncols ,sizereal 38x ,y ,z! 检查输入输出变量个数if (nrhs. ne. 2 thencall mexErrMsg Txt ( Two inputs arquired elseif (nlhs. gt. 1 thenc

22、all mexErrMsg Txt ( Too many output argu 2 ments endif! 输入量必须是两个数mrows =mx G etM (prhs (1 ncols =mx G etN (prhs (1 size =mrows 3ncolsif (mxIsNumeric (prhs (1 . eq. 0 thencall mexErrMsg Txt ( Inputs must be a number endifmrows =mx Gncols =mx G etN size =mrows 3if (mxIsNumeric (prhs (2 . eq. 0 thencal

23、l mexErrMsg Txt ( Inputs must be a number endif! 为输出参数创建矩阵plhs (1 =mxCreateFull (mrows ,ncols ,0xpr =mx G et Pr (prhs (1 zpr =mx G et Pr (prhs (2 ypr =mx G et Pr (plhs (1 ! 将数据指针转换成双精度型call mxCopyPtr ToReal8(xpr ,x ,size call mxCopyPtr ToReal8(zpr ,z ,size ! 调用计算功能子程序 mypluscall myplus (y ,x ,z ! 将计

24、算结果传给输出数据指针call mxCopyReal8To Ptr (y ,ypr ,size returnend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 , FOR 2 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 FOR TRAN 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 FOR TRAN 语言 中数组是按列存储

25、 , 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 FOR TRAN 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 M EX 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 Fortran version 6. 6 . 编译的过程也一 样 ,MA TLAB6的编译命令 (不再区分 C/C +文件 用 cmex. bat ,FOR TRAN 用 fmex. bat 统一使用 mex. bat 批处理

26、命令 , 其后的文件名须带扩展名 .4 MEX 文件的建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 MA TLAB 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 MA TLAB 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 Envi 2 ronment 中编译 M EX 程序 . 为了表述的方便 , 我

27、们以 MA TLAB6. 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: 用 VC 创建一个工程 (假定名称为 myproject , 类型选择 Win32Dynamic -link Library , 并将自己的 M EX 源程序和 mexversion. rc (在 C :MA TLAB6p5 extern include 下 加入到工程 . 创建一个与工程同名的定义文件 (myproject. def , 内容如下 :L IBRAR

28、 Y myproject. dllEXPOR TS mexFunction(如 果 是 FOR TRAN 该 行 改 为 EXPOR TS -M EXFUNCTION 16并加入定义文件 myproject. def 到工程 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 di 2 rectories for 下拉框中选择 Library files , 在下部的 Di 2 rectories:中添加 C :MA TLAB6p5extern lib win32microsoft msvc60目录 . 然后选择 V

29、C 下拉 菜单 Project/Settings , 在 弹 出 的 对 话 框 中 选 择055三 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. 加入 MA TLAB 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 :MA TLAB6p5extern include 目录 . 然后选择 VC 下拉菜单 Project/Set 2 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 Pre 2 processor definitions :框 中 填 入 MA TLAB-M EX -FIL E. 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