原文地址:http://blog.sina.com.cn/s/blog_468651400100coas.html
如果我有一个用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;
}
现在我想要在Matlab中使用它,比如输入:
>> a = add(1.1, 2.2)
3.3000
要得出以上的结果,那应该怎样做呢?
解决方法之一是要通过使用MEX文件,MEX文件使得调用C函数和调用Matlab的内置函数一样方便。MEX文件是由原C代码加上MEX文件专用的接口函数后编译而成的。可以这样理解,MEX文件实现了一种接口,它把在Matlab中调用函数时输入的自变量通过特定的接口调入了C函数,得出的结果再通过该接口调回Matlab。该特定接口的操作,包含在mexFunction这个函数中,由使用者具体设定。
所以现在我们要写一个包含add和mexFunction的C文件,Matlab调用函数,把函数中的自变量(如上例中的1.1和2.2)传给 mexFunction的一个参数,mexFunction把该值传给add,把得出的结果传回给mexFunction的另一个参数,Matlab通过该参数来给出在Matlab语句中调用函数时的输出值(如上例中的a)。
值得注意的是,mex文件是与平台有关的,以我的理解,mex文件就是另类的动态链接库。在matlab6.5中使用mex -v 选项,你可以看到最后mex阶段有类似如下的信息:
--> "del _lib94902.obj"
--> "del "test.exp""
--> "del "test.lib""
也就是说,虽然在matlab6.5生成的是dll文件,但是中间确实有过lib文件生成。
比如该C文件已写好,名为add.c。那么在Matlab中,输入:
>> mex add.c
就能把add.c编译为MEX文件(编译器的设置使用指令mex -setup),在Windows中,MEX文件类型为mexw32,即现在我们得出add.mexw32文件。现在,我们就可以像调用M函数那样调用 MEX文件,如上面说到的例子。所以,通过MEX文件,使用C函数就和使用M函数是一样的了。
我们现在来说mexFunction怎样写。
mexFunction的定义为:
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
}
可以看到,mexFunction是没返回值的,它不是通过返回值把结果传回Matlab的,而是通过对参数plhs的赋值。mexFunction的四个参数皆是说明Matlab调用MEX文件时的具体信息,如这样调用函数时:
>> b = 1.1; c = 2.2;
>> a = add(b, c)
mexFunction四个参数的意思为:
nlhs = 1,说明调用语句左手面(lhs-left hand side)有一个变量,即a。
nrhs = 2,说明调用语句右手面(rhs-right hand side)有两个自变量,即b和c。
plhs是一个数组,其内容为指针,该指针指向数据类型mxArray。因为现在左手面只有一个变量,即该数组只有一个指针,plhs[0]指向的结果会赋值给a。
prhs和plhs类似,因为右手面有两个自变量,即该数组有两个指针,prhs[0]指向了b,prhs[1]指向了c。要注意prhs是const的指针数组,即不能改变其指向内容。
因为Matlab最基本的单元为array,无论是什么类型也好,如有double array、 cell array、 struct array……所以a,b,c都是array,b = 1.1便是一个1x1的double array。而在C语言中,Matlab的array使用mxArray类型来表示。所以就不难明白为什么plhs和prhs都是指向mxArray类型的指针数组。
完整的add.c如下:
#include "mex.h" // 使用MEX文件必须包含的头文件
// 执行具体工作的C函数
double add(double x, double y)
{
return x + y;
}
// MEX文件接口函数
void mexFunction(int nlhs,mxArray *plhs[], int nrhs,const mxArray *prhs[])
{
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);
}
mexFunction的内容是什么意思呢?我们知道,如果这样调用函数时:
>> output = add(1.1, 2.2);
在未涉及具体的计算时,output的值是未知的,是未赋值的。所以在具体的程序中,我们建立一个1x1的实double矩阵(使用 mxCreateDoubleMatrix函数,其返回指向刚建立的mxArray的指针),然后令plhs[0]指向它。接着令指针a指向plhs [0]所指向的mxArray的第一个元素(使用mxGetPr函数,返回指向mxArray的首元素的指针)。同样地,我们把prhs[0]和prhs [1]所指向的元素(即1.1和2.2)取出来赋给b和c。于是我们可以把b和c作自变量传给函数add,得出给果赋给指针a所指向的mxArray中的元素。因为a是指向plhs[0]所指向的mxArray的元素,所以最后作输出时,plhs[0]所指向的mxArray赋值给output,则 output便是已计算好的结果了。
上面说的一大堆指向这指向那,什么mxArray,初学者肯定都会被弄到头晕眼花了。很抱歉,要搞清楚这些乱糟糟的关系,只有多看多练。
实际上mexFunction是没有这么简单的,我们要对用户的输入自变量的个数和类型进行测试,以确保输入正确。如在add函数的例子中,用户输入char array便是一种错误了。
从上面的讲述中我们总结出,MEX文件实现了一种接口,把C语言中的计算结果适当地返回给Matlab罢了。当我们已经有用C编写的大型程序时,大可不必在 Matlab里重写,只写个接口,做成MEX文件就成了。另外,在Matlab程序中的部份计算瓶颈(如循环),可通过MEX文件用C语言实现,以提高计算速度。
以上是对mex文件的初步认识,下面详细介绍如何用c语言编写mex文件:
1 为什么要用C语言编写MEX文件
MATLAB是矩阵语言,是为向量和矩阵操作设计的,一般来说,如果运算可以用向量或矩阵实现,其运算速度是非常快的。但若运算中涉及到大量的循环处理,MATLAB的速度的令人难以忍受的。解决方法之一为,当必须使用for循环时,把它写为MEX文件,这样不必在每次运行循环中的语句时MATLAB都对它们进行解释。
2 编译器的安装与配置
要使用MATLAB编译器,用户计算机上应用事先安装与MATLAB适配的以下任何一种ANSI C/C++编译器:
5.0、6.0版的MicroSoft Visual C++(MSVC)
5.0、5.2、5.3、5.4、5.5版的Borland C++
LCC(由MATLAB自带,只能用来产生MEX文件)
下面是安装与配置MATLAB编译器应用程序MEX的设置的步骤:
(1)在MATLAB命令窗口中运行mex –setup,出现下列提示:
Please choose your compiler for building external interface (MEX) files:
Would you like mex to locate installed compilers [y]/n?
(2)选择y,MATLAB将自动搜索计算机上已安装的外部编译器的类型、版本及所在路径,并列出来让用户选择:
Select a compiler:
[1] Borland C++Builder version 6.0 in C:\Program Files\Borland
[2] Digital Visual Fortran version 6.0 in C:\Program Files\Microsoft Visual Studio
[3] Lcc C version 2.4 in D:\MATLAB6P5P1\sys\lcc
[4] Microsoft Visual C/C++ version 6.0 in C:\Program Files\Microsoft Visual Studio
[0] None
Compiler:
(3)选择其中一种(在这里选择了3),MATLAB让用户进行确认:
Please verify your choices:
Compiler: Lcc C 2.4
Location: D:\MATLAB6P5P1\sys\lcc
Are these correct?([y]/n):
(4)选择y,结束MATLAB编译器的配置。
3 一个简单的MEX文件例子
【例1】用m文件建立一个1000×1000的Hilbert矩阵。
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
在matlab中新建一个Matlab_1.cpp 文件并输入以下程序:
#include "mex.h"
//计算过程
void hilb(double *y,int n)
{
int i,j;
for(i=0;i<n;i++)
for(j=0;j<n;j++)
*(y+j+i*n)=1/((double)i+(double)j+1);
}
//接口过程
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)
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]);
y=mxGetPr(plhs[0]);
hilb(y,n);
}
该程序是一个C语言程序,它也实现了建立Hilbert矩阵的功能。在MATLAB命令窗口输入以下命令:mex Matlab_1.cpp,即可编译成功。进入该文件夹,会发现多了两个文件:Matlab_1.asv和Matlab_1.dll,其中Matlab_1.dll即是MEX文件。运行下面程序:
tic
a=Matlab_1(1000);
toc
elapsed_time =
0.0470
由上面看出,同样功能的MEX文件比m文件快得多。
4 MEX文件的组成与参数
MEX文件的源代码一般由两部分组成:
(1)计算过程。该过程包含了MEX文件实现计算功能的代码,是标准的C语言子程序。
(2)入口过程。该过程提供计算过程与MATLAB之间的接口,以入口函数mxFunction实现。在该过程中,通常所做的工作是检测输入、输出参数个数和类型的正确性,然后利用mx-函数得到MATLAB传递过来的变量(比如矩阵的维数、向量的地址等),传递给计算过程。
MEX文件的计算过程和入口过程也可以合并在一起。但不管那种情况,都要包含#include "mex.h",以保证入口点和接口过程的正确声明。注意,入口过程的名称必须是mexFunction,并且包含四个参数,即:
void mexFunction(int nlhs,mxArray *plhs[],int nrhs,const mxArray *prhs[])
其中,参数nlhs和nrhs表示MATLAB在调用该MEX文件时等式左端和右端变量的个数,例如在MATLAB命令窗口中输入以下命令:
[a,b,c]=Matlab_1(d,e,f,g)
则nlhs为3,nrhs为4。
MATLAB在调用MEX文件时,输入和输出参数保存在两个mxArray*类型的指针数组中,分别为prhs[]和plhs[]。prhs[0]表示第一个输入参数,prhs[1]表示第二个输入参数,…,以此类推。如上例中,d→prhs[0],e→prhs[1],f→prhs[2],f→prhs[3]。同时注意,这些参数的类型都是mxArray *。
接口过程要把参数传递给计算过程,还需要从prhs中读出矩阵的信息,这就要用到下面的mx-函数和mex-函数。
5 常用的mex-函数和mx-函数
在MATLAB6.5版本中,提供的mx-函数有106个,mex-函数有38个,下面我们仅介绍常用的函数。
5.1入口函数mexFunction
该函数是C MEX文件的入口函数,它的格式是固定的:
void mexFunction(int nlhs,mxArray *plhs[],int nrhs,const mxArray *prhs[])
说明:MATLAB函数的调用方式一般为:[a,b,c,…]=被调用函数名称(d,e,f,…),nlhs保存了等号左端输出参数的个数,指针数组plhs具体保存了等号左端各参数的地址,注意在plhs各元素针向的mxArray内存未分配,需在接口过程中分配内存;prhs保存了等号右端输入参数的个数,指针数组prhs具体保存了等号右端各参数的地址,注意MATLAB在调用该MEX文件时,各输入参数已存在,所以在接口过程中不需要再为这些参数分配内存。
5.2出错信息发布函数mexErrMsgTxt,mexWarnMsgTxt
两函数的具体格式如下:
#include "mex.h"
void mexErrMsgTxt(const char *error_msg);
void mexWarnMsgTxt(const char *warning_msg);
其中error_msg包含了要显示错误信息,warning_msg包含要显示的警告信息。两函数的区别在于mexErrMsgTxt显示出错信息后即返回到MATLAB,而mexWarnMsgTxt显示警告信息后继续执行。
5.3 mexCallMATLAB和mexString
两函数具体格式如下:
#include "mex.h"
int mexCallMATLAB(int nlhs, mxArray *plhs[],
int nrhs, mxArray *prhs[], const char *command_name);
int mexString(const char *command);
mexCallMATLAB前四个参数的含义与mexFunction的参数相同,command_name可以MATLAB内建函数名、用户自定义函数、M文件或MEX文件名构成的字符串,也可以MATLAB合法的运算符。
mexString用来操作MATLAB空间已存在的变量,它不返回任何参数。
mexCallMATLAB与mexString差异较大,请看下面的例子。
【例2】试用MEX文件求5阶完全图邻接矩阵 的特征值及对应的特征向量。
5阶完全图的邻接矩阵为:(这里找不到图片了,抱歉。不过不会影响您对本文的理解。)
下面是求该矩阵的MEX文件。
[Matlab_2.cpp]
#include "mex.h"
void mexFunction(int nlhs,mxArray *plhs[],int nrhs,const mxArray *prhs[])
{
double x;
mxArray *y,*z,*w;
int n;
if (nrhs!=1)
mexErrMsgTxt("One inputs required.");
if (nlhs != 3)
mexErrMsgTxt("Three output required.");
if (!mxIsDouble(prhs[0])||mxGetN(prhs[0])*mxGetM(prhs[0])!=1)
mexErrMsgTxt("Input must be a scalar.");
x=mxGetScalar(prhs[0]);
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(x,x,mxREAL);
plhs[1]=mxCreateDoubleMatrix(x,x,mxREAL);
plhs[2]=mxCreateDoubleMatrix(x,x,mxREAL);
n=mxGetM(plhs[0]);
y=plhs[0];
z=plhs[1];
w=plhs[2];
//利用mexCallMATLAB计算特征值
mexCallMATLAB(1,&plhs[1],1,prhs,"ones");
mexCallMATLAB(1,&plhs[2],1,prhs,"eye");
mexCallMATLAB(1,&plhs[0],2,&plhs[1],"-");
mexCallMATLAB(2,&plhs[1],1,&plhs[0],"eig");
//演示mexString的功能
mexString("y=y*2");
mexString("a=a*2");
}
在MATLAB命令窗口输入以下命令:
>> mex Matlab_2.cpp
>> clear
>> a=magic(5)
a =
17 24 1 8 15
23 5 7 14 16
4 6 13 20 22
10 12 19 21 3
11 18 25 2 9
>> [y,z,w]=Matlab_2(5)
??? Undefined function or variable ‘y‘.
a =
34 48 2 16 30
46 10 14 28 32
8 12 26 40 44
20 24 38 42 6
22 36 50 4 18
y =
0 1 1 1 1
1 0 1 1 1
1 1 0 1 1
1 1 1 0 1
1 1 1 1 0
z =
0.8333 -0.1667 -0.1667 0.2236 0.4472
-0.1667 0.8333 -0.1667 0.2236 0.4472
-0.1667 -0.1667 0.8333 0.2236 0.4472
-0.5000 -0.5000 -0.5000 0.2236 0.4472
0 0 0 -0.8944 0.4472
w =
-1 0 0 0 0
0 -1 0 0 0
0 0 -1 0 0
0 0 0 -1 0
0 0 0 0 4
由上面可以看出,K5的特征值为–1和4,其中–1是四重根。MATLAB提供了mexGetVariable、mexPutVariable函数,以实现MEX空间与其它空间交换数据的任务,具体可以参看MATLAB帮助文档。
5.4建立二维双精度矩阵函数mxCreateDoubleMatrix
其格式具体如下:
#include "matrix.h"
mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity ComplexFlag);
其中m代表行数,n代表列数,ComplexFlag可取值mxREAL 或mxCOMPLEX。如果创建的矩阵需要虚部,选择mxCOMPLEX,否则选用mxREAL。
类似的函数有:
mxCreateCellArray |
创建n维元胞mxArray |
mxCreateCellMatrix |
创建二维元胞mxArray |
mxCreateCharArray |
创建n维字符串mxArray |
mxCreateCharMatrixFromStrings |
创建二维字符串mxArray |
mxCreateDoubleMatrix |
创建二维双精度浮点mxArray |
mxCreateDoubleScalar |
创建指定值的二维精度浮点mxArray |
mxCreateLogicalArray |
创建n维逻辑mxArray,初值为false |
mxCreateLogicalMatrix |
创建二维逻辑mxArray,初值为false |
mxCreateLogicalScalar |
创建指定值的二维逻辑mxArray |
mxCreateNumericArray |
创建n维数值mxArray |
mxCreateNumericMatrix |
创建二维数值mxArray,初值为0 |
mxCreateScalarDouble |
创建指定值的双精度mxArray |
MxCreateSparse |
创建二维稀疏mxArray |
mxCreateSparseLogicalMatrix |
创建二维稀疏逻辑mxArray |
MxCreateString |
创建指定字符串的1 n的串mxArray |
mxCreateStructArray |
创建n维架构mxArray |
mxCreateStructMatrix |
创建二维架构mxArray |
5.5 获取行维和列维函数mxGetM、mxGetN
其格式如下:
#include "matrix.h"
int mxGetM(const mxArray *array_ptr);
int mxGetN(const mxArray *array_ptr);
与之相关的还有:
mxSetM:设置矩阵的行维
mxSetN:设置矩阵的列维
5.6 获取矩阵实部和虚部函数mxGetPr、mxGetPi
其格式如下:
#include "matrix.h"
double *mxGetPr(const mxArray *array_ptr);
double *mxGetPi(const mxArray *array_ptr);
与之相关的函数还有:
mxSetPr:设置矩阵的实部
mxSetPi:设置矩阵的虚部
【例3】实现字符串的倒序输出。
#include "mex.h"
void revord(char *input_buf,int buflen,char *output_buf)
{
int i;
//实现字符串倒序
for(i=0;i<buflen-1;i++)
*(output_buf+i)=*(input_buf+buflen-i-2);
}
void mexFunction(int nlhs,mxArray *plhs[],int nrhs,const mxArray *prhs[])
{
//定义输入和输出参量的指针
char *input_buf,*output_buf;
int buflen,status;
//检查输入参数个数
if(nrhs!=1)
mexErrMsgTxt("One input required.");
else if(nlhs>1)
mexErrMsgTxt("Too many output arguments.");
//检查输入参数是否是一个字符串
if(mxIsChar(prhs[0])!=1)
mexErrMsgTxt("Input must be a string.");
//检查输入参数是否是一个行变量
if(mxGetM(prhs[0])!=1)
mexErrMsgTxt("Input must a row vector.");
//得到输入字符串的长度
buflen=(mxGetM(prhs[0])*mxGetN(prhs[0]))+1;
//为输入和输出字符串分配内存
input_buf=mxCalloc(buflen,sizeof(char));
output_buf=mxCalloc(buflen,sizeof(char));
//将输入参量的mxArray结构中的数值拷贝到C类型字符串指针
status=mxGetString(prhs[0],input_buf,buflen);
if(status!=0)
mexWarnMsgTxt("Not enough space. String is truncated.");
//调用C程序
revord(input_buf,buflen,output_buf);
plhs[0]=mxCreateString(output_buf);
}
这个程序中需要注意的地方是mxCalloc函数,它代替了标准C程序中的calloc函数用于动态分配内存,而mxCalloc函数采用的是MATLAB的内存管理机制,并将所有申请的内存初始化为0,因此凡是C代码需要使用calloc函数的地方,对应的Mex文件应该使用mxCalloc函数。同样,凡是C代码需要使用realloc函数的地方,对应的Mex文件应该使用mxRealloc函数。
在MATLAB命令窗口中对revord.cpp程序代码编译链接:
>> mex revord.cpp
在MATLAB命令窗口中对C-MEX文件revord.dll进行测试:
>> x=‘I am student.‘;
>> revord(x)
ans =
.tneduts ma I
终于写完了,相信大家对mex文件应该有点熟悉了,具体还要到实际应用中慢慢体会。