基于ＭＥＸ文件的ＭＡＴＬＡＢ與Ｃ語言接口的實現

摘要:在MATLAB中，M文件的計算速度特別是循環(huán)迭代的速度遠比C語言慢，因此可以把要求大量循環(huán)迭代的部分用C語言編寫為MEX文件，然后在MATLAB中調用此文件，以提高計算速度。該文通過實例詳述了如何實現此過程。

關鍵詞:MATLAB;C;MEX文件;接口

中圖分類號:TP312文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-7002-02

Implementation of Interface Between MATLAB and C Language Base on Mex File

LI Wei-gang

(Engineering College of Chinese People's Armed Police Force，Xi'an 710086，China)

Abstract: In MATLAB，the efficiency of M-file for caculation is down far from C language's when executing much iterative sentence.Therefore we may relize the part by compiled Mex-file by C language，then through calling the file on MATLAB to improve efficiency.The paper will set forth how to achieve the process by an example.

Key words: MATLAB; C; Mex-File; Interface

MATLAB作為世界頂尖的數學應用軟件，以其強大的工程計算、算法研究、工程繪圖、應用程序開發(fā)、數據分析和動態(tài)仿真等功能，在航空航天、機械制造和工程建筑等領域發(fā)揮著及其重要的作用。MATLAB是矩陣語言，是為向量和矩陣操作設計的，一般來說，如果運算可以用向量或矩陣實現，其運算速度是非常快的。但若運算中涉及到大量的循環(huán)迭代處理，MATLAB的速度的是令人難以忍受的[1]。解決方法之一為:當必須使用循環(huán)時，把它寫為MEX文件，這樣不必在每次運行循環(huán)中的語句時MATLAB都對它們進行解釋。而C語言功能豐富，使用靈活方便，目標程序效率高。因此，借助C語言來進行算法的設計，利用MATLAB完整的、功能齊全的編程環(huán)境來實現數據和程序的交互是非常必須而且有益的。

1 MEX文件的介紹

MEX文件是一種動態(tài)連接子程序，使用C語言和FORTRAN編寫，MATLAB對其格式做了統(tǒng)一規(guī)定，它是由MATLAB解釋器自動調用并執(zhí)行動態(tài)鏈接函數。在WINDOWS操作系統(tǒng)中這種文件類型的后綴名為dll。而其它平臺有較大變化[2]，具體擴展名變化如表1所示。

2 C語言的MEX文件的組成與參數

C語言MEX文件的源程序由兩個不同的部分組成，每個部分完成不同的任務。

1) 計算子程序(Comutational Routine)，它包含了實際完成計算功能的源代碼，用來完成實際的計算工作，它是以函數存在的，按照C語言規(guī)則編寫。

2) 入口子程序(Gateway Routine)，它是計算子程序同MATLAB環(huán)境之間的接口，用來完成兩者之間的通信任務。是以入口函數mxFunction實現，通常所做的工作是檢測輸入、輸出參數個數和類型的正確性，然后利用mx-函數得到MATLAB傳遞過來的變量(比如矩陣的維數、向量的地址等)，傳遞給計算子程序。

圖1顯示了如何向MEX文件輸入數據，通過接口函數調用計算程序完成運算過程，最后向MATLAB返回計算結果的過程。

MEX文件的兩個主要部分在使用中可以是獨立的，也可以是組合在一起的。但不管那種情況，都要包含#include \"mex.h\"，以保證入口點和接口程序的正確聲明。注意，入口程序的名稱必須是mexFunction，并且包含四個參數[3]，即:

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

在C語言的MEX文件中，參數nlhs和nrhs包含輸出和輸入變量的數目，借助于這兩個參數，MEX文件被調用。參數plhs和prhs是包含指向MEX文件輸出和輸入變量的指針的向量，prhs是長度為nrhs的輸入變量的指針數組，plhs是長度為nlhs的輸出變量的指針數組。比如從MATLAB命令窗口來調用一個MEX文件:

x=fun(y，z);

則MATLAB編譯器使用下面的變量來調用mexFunction:

nlhs=1

nrhs=2

plhs=(pointer)->/*unassigned*/

prhs=(pointer)->y

(pointer)->z

plhs指向只有一個元素的C語言數組，并且這個元素為空指針。prhs指向含有兩個元素的C語言數組，其中第一個元素指向mxArray型變量y，第二個元素指向mxArray型變量z。這里，plhs指向空的數組是由于輸出x在子程序執(zhí)行前尚未產生，入口程序的作用就是創(chuàng)建輸出數組并分配指針plhs[0]指向該數組[4]。如果plhs[0]沒有賦值，MATLAB將給出輸出變量沒有賦值的警告信息。

3 MATLAB調用MEX文件實例

下面給出一個簡單的C語言程序和與之對應的MEX文件代碼，該程序的功能是建立一個1000×1000的Hilbert矩陣。

C語言程序如下:

#include \"math.h\"

void hilb(double *y，int n){

int i，j;

for(i=0;i

for(j=0;j

*(y+j+i*n)=1/((double)i+(double)j+1);

}

下面是與C語言程序功能相同的MEX文件:

#include \"mex.h\"

//計算子程序

void hilb(double *y，int n){

int i，j;

for(i=0;i

for(j=0;j

*(y+j+i*n)=1/((double)i+(double)j+1);

}

//接口子程序

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

double x，*y;

int n;

if (nrhs!=1)

mexErrMsgTxt(\"One inputs required.\");

if (nlhs != 1)/*檢查正確的參數數目*/

mexErrMsgTxt(\"One output required.\");

if (!mxIsDouble(prhs[0])||mxGetN(prhs[0])*mxGetM(prhs[0])!=1)

mexErrMsgTxt(\"Input must be scalars.\");

x=mxGetScalar(prhs[0]);

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

n=mxGetM(plhs[0]); /*輸入變量必須是非復數類型的標量*/

y=mxGetPr(plhs[0]);/*分配輸入輸出參數的指針*/

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

mexErrMsgTxt(\"輸入變量必須是非復數類型的標量.\");

hilb(y，n);

}

C語言是在編譯的時候檢查函數參數，MATLAB可以在調用MEX文件時傳遞任意數量和類型的參數，但是在程序中必須可靠地處理輸入輸出參數的數目。如果將上面的MEX文件命名為Matlab_1.c，就可以對它進行編譯和鏈接，在MATLAB命令窗口輸入以下命令:mex Matlab_1.c即可編譯成功。進入該文件夾，會發(fā)現多了兩個文件:Matlab_1.asv和Matlab_1.dll，其中Matlab_1.dll即是MEX文件。

我們可比較MATLAB的M文件和調用MEX文件的執(zhí)行效率，

分別運行下面程序:

tic

m=1000;

n=1000;

a=zeros(m，n);

for i=1:1000

for j=1:1000

a(i，j)=1/(i+j);

end

end

toc

elapsed_time =

0.1100

由上面看出，同樣功能的MEX文件比M文件快得多。

4 小結

MATLAB是一個高效率的編程系統(tǒng)，特別適合于工程計算、系統(tǒng)仿真等應用。它的最大優(yōu)點就是將人們從繁雜的程序中解放出來。因此，能夠用M文件完成的程序，應盡量使用MATLAB編寫，但若是需要提高效率，我們又可借助MEX文件來實現，因為MATLAB系統(tǒng)外部程序調用接口的功能是相當強大的，通過它不但可以大量的縮短編程時間，并且使MATLAB的功能進一步增強。

參考文獻:

[1] 劉志儉.Matlab 應用程序接口用戶指南[M].北京:科學出版社，2003.

[2] 飛思科技產品研發(fā)中心.MATLAB7基礎與提高[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[3] 儲開顏，嚴利民，王朔中.VC與MATLAB的接口及其實現[J].計算機工程，2000，26(12).

[4] 郝紅偉.Matlab 6實例教程[M].北京:中國電力出版社，2003.