Matlab与C/C++联合编程之Matlab以MEX方式调用C/C++代码（二）

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：

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。

感谢：http://blog.sina.com.cn/s/blog_468651400100coas.html