Matlab与C语言程序的应用编程接口

MATLAB作为世界顶尖的数学应用软件，以其强大的工程计算、算法研究、工程绘图、应用程序开发、数据分析和动态仿真等功能，在航空航天、机械制造和工程建筑等领域发挥着越来越重要的作用。而C语言功能丰富，使用灵活方便，目标程序效率高。既有高级语言的优点，又有低级语言的特点。因此，C语言是目前应用最广的编程语言。虽然MATLAB是一个完整的、功能齐全的编程环境，但在某些情况下，与外部环境的数据和程序的交互是非常必须而且有益的。

众所周知，MATLAB是用M语言编程，不能在M文件中直接调用C语言程序。可以通过MATLAB提供的应用编程接口（API）来实现与外部的接口，在MATLAB环境中实现调用C语言或Fortran程序、输入或输出数据以及和其他软件程序间建立客户/服务器关系等功能。

MATLAB中调用C语言程序，必须通过MEX文件来实现。

一、 C语言的MEX文件的结构

C语言的MEX文件是一种动态连接子程序，可以象调用M文件一样调用它。MEX文件主要有以下几方面的应用：

（1）在MATLAB中，M文件的计算速度特别是循环迭代的速度远比C语言慢，因此可以把要求大量循环迭代的部分用C语言编写为MEX文件，提高计算速度。

（2）已经开发的C语言程序，则不必将其转化为M文件而重复劳动，通过添加入口程序mexFunction，可以由MATLAB调用。

（3）直接控制硬件，如A/D采集卡，D/A输出卡等，以用于数据采集或控制应用。 

C语言的MEX文件的源程序由两个非常明显部分组成：

（1）计算程序，即在MEX文件中完成计算功能的程序代码，计算程序可以是普通的C语言程序，按照C语言规则编写即可

（2）入口程序，将计算程序与MATLAB连接的入口函数mexFunction。入口程序mexFunction相对要复杂一些，函数中有四个参数nlhs、plhs、nrhs和prhs。这里nlhs是输出数据的个数，plhs是指向mxArray（MATLAB中所有数据都由mxArray定义）的输出数据的指针，nrhs是输入数据的个数，prhs是指向mxArray的输入数据的指针。

二、 使用MEX文件

上面所述的MEX文件的两个主要部分在使用中可以是独立的，也可以是组合在一起的。不管是哪一种情况，MEX文件都必须包含头文件"mex.h"，以便正常申明入口程序。入口程序的名字必须是mexFunction而且必须包含这些参数：
   　　　void mexFunction(int nlhs,mxArray *plhs[],int nrhs,const mxArray *prhs[])

在C语言的MEX文件中，参数nlhs和nrhs包含输出和输入变量的数目，借助于这两个参数，MEX文件被调用。参数plhs和prhs是包含指向MEX文件输出和输入变量的指针的向量，prhs是长度为nrhs的输入变量的指针数组，plhs是长度为nlhs的输出变量的指针数组。比如从MATLAB命令窗口来调用一个MEX文件：
   　　　x=fun(y,z)；

则MATLAB编译器使用下面的变量来调用mexFunction：
   　　　nlhs=1
   　　　nrhs=2
   　　　plhs=(pointer)->/*unassigned*/
   　　　prhs=(pointer)->y
   　　　(pointer)->z

plhs指向只有一个元素的C语言数组，并且这个元素为空指针。prhs指向含有两个元素的C语言数组，其中第一个元素指向mxArray型变量Y，第二个元素指向mxArray型变量Z。

这里，plhs指向空的数组是由于输出x在子程序执行前尚未产生，入口程序的作用就是创建输出数组并分配指针plhs[0]指向该数组。如果plhs[0]没有赋值，MATLAB将给出输出变量没有赋值的警告信息。

三、C语言程序MEX文件实例

MATLAB 5 API提供了一系列程序来处理MATLAB所支持的各种数据类型，每一种数据类型都有对应函数共你使用来处理对应的数据。下面给出一个简单的C语言程序和与之对应的MEX文件代码，该程序的功能是将标量x加倍。C语言程序如下：

#include "math.h"
void timestwo(double y[], double x[])
{
y[0]=2.0*x[0];
return;
}

下面是与C语言程序功能相同的MEX文件：

#include "mex.h"
void timestwo(double y[], double x[])
{
y[0]=2.0*x[0];
}
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
double *x, *y;
int mrows, ncols;
/*检查正确的参数数目*/
if(nrhs!=1){
mexErrMsgTxt("需要一个输入参数.");
}
else if(nlhs>1){
mexErrMsgTxt("输出参数太多.");
}
/*输入变量必须是非复数类型的标量*/
mrows=mxGetM(prhs[0]);
ncols=mxGetN(prhs[0]);
if(!mxIsDouble(prhs[0]) || mxIsComplex(prhs[0]) || !(mrows==1 && ncols==1)){
mexErrMsgTxt("输入变量必须是非复数类型的标量.");
}
/*为返回参数创建矩阵*/
plhs[0]=mxCreateDoubleMatrix(mrows, ncols, mxREAL);
/*分配输入输出参数的指针*/
x=mxGetPr(prhs[0]);
y=mxGetPr(plhs[0]);
/*调用timestwo子函数*/
timestwo(y, x);
}

C语言是在编译的时候检查函数参数。MATLAB可以在M函数中传递任意数量和类型的参数，MEX文件也是如此，不过在程序中必须可靠地处理输入输出参数的数目。如果将上面的MEX文件命名为timestwo.c，就可以对它进行编译和链接，在MATLAB命令窗口下输入：
   　　　mex timestwo.c

这是产生MEX文件timestwo.***所必需的步骤，该文件的扩展名所运行的系统平台的类型。Windows系统下，扩展名为dll。此时，就可以象调用M函数一样调用timestwo了。在MATLAB命令窗口中输入：
   　　　 x=2;
   　　　 y=timestwo(x);

就可以得到：
   　　　 y=4;

四、小 结

MEX文件虽然具有较强大的功能，但并不是对所有的应用都恰当。MATLAB是一个高效率的编程系统，特别适合于工程计算、系统仿真等应用。它的最大优点就是将人们从繁杂的程序中解放出来。因此，能够用M文件完成的程序，应尽量使用MATLAB编写，除非遇到必须使用MEX文件的情况。

MATLAB的应用编程接口是一个功能强大的系统，除了调用C或Fortran程序，还可以实现从MATLAB环境中输入输出数据、在MATLAB中和其他程序建立客户/服务器关系等功能。