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用C语言编写MEX文件

1.1 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。

1.2 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。 1.3 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

elapsed_time = 0.1100

在记事本中输入以下程序： [Matlab_1.cpp] #include \//计算过程

void hilb(double *y,int n) {

int i,j; for(i=0;i

*(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(\ if (nlhs != 1)

mexErrMsgTxt(\ if

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

mexErrMsgTxt(\ 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。 1.4 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 \，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。 1.5 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。

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。

2．出错信息发布函数mexErrMsgTxt，mexWarnMsgTxt 两函数的具体格式如下： #include \

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。

3．mexCallMATLAB和mexEvalString 两函数具体格式如下： #include \

int mexCallMATLAB(int nlhs, mxArray *plhs[],

int nrhs, mxArray *prhs[], const char *command_name); int mexEvalString(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。

mexEvalString用来操作MATLAB空间已存在的变量，它不返回任何参数。 mexCallMATLAB与mexEvalString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： 下面是求该矩阵的MEX文件。 [Matlab_2.cpp] #include \

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

double x; mxArray *y,*z,*w; int n; if (nrhs!=1)

mexErrMsgTxt(\ if (nlhs != 3)

mexErrMsgTxt(\ if

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

mexErrMsgTxt(\ 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,\ mexCallMATLAB(1,&plhs[2],1,prhs,\ mexCallMATLAB(1,&plhs[0],2,&plhs[1],\ mexCallMATLAB(2,&plhs[1],1,&plhs[0],\ //演示mexEvalString的功能 mexEvalString(\ mexEvalString(\}

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。

4．建立二维双精度矩阵函数mxCreateDoubleMatrix

其格式具体如下： #include \

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 mxCreateCellMatrix mxCreateCharArray

创建n维元胞mxArray 创建二维元胞mxArray 创建n维字符串mxArray

mxCreateCharMatrixFromStrings 创建二维字符串mxArray mxCreateDoubleMatrix mxCreateDoubleScalar mxCreateLogicalArray mxCreateLogicalMatrix mxCreateLogicalScalar mxCreateNumericArray mxCreateNumericMatrix mxCreateScalarDouble MxCreateSparse

mxCreateSparseLogicalMatrix MxCreateString mxCreateStructArray mxCreateStructMatrix

创建二维双精度浮点mxArray 创建指定值的二维精度浮点mxArray 创建n维逻辑mxArray，初值为false 创建二维逻辑mxArray，初值为false 创建指定值的二维逻辑mxArray 创建n维数值mxArray

创建二维数值mxArray，初值为0 创建指定值的双精度mxArray 创建二维稀疏mxArray 创建二维稀疏逻辑mxArray 创建指定字符串的1 n的串mxArray 创建n维架构mxArray 创建二维架构mxArray

5．获取行维和列维函数mxGetM、mxGetN

其格式如下： #include \

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

6．获取矩阵实部和虚部函数mxGetPr、mxGetPi

其格式如下： #include \

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 \

void revord(char *input_buf,int buflen,char *output_buf)

{

int i;

//实现字符串倒序 for(i=0;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(\ else if(nlhs>1)

mexErrMsgTxt(\ //检查输入参数是否是一个字符串 if(mxIsChar(prhs[0])!=1)

mexErrMsgTxt(\ //检查输入参数是否是一个行变量 if(mxGetM(prhs[0])!=1)

mexErrMsgTxt(\ //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(\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

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

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