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将 MATLAB 程序中明显的瓶颈部分用 C 语言按照 MEX 格式编写,则可以大大加快速度。MCC 可以比快 50%, 而 MEX 的形式可能快上百倍。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 FilesBorland [2] Digital Visual Fortran version 6.0 in C:Program FilesMicrosoft Visual Studio [3] Lcc C version 2.4 in D:MATLAB6P5P1syslcc [4] Microsoft Visual C/C++ version 6.0 in C:Program FilesMicrosoft 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:MATLAB6P5P1syslcc 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 forj=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) { inti,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[]) { doublex,*y; intn; if(nrhs!=1) mexErrMsgTxt("One inputsrequired."); if(nlhs != 1) mexErrMsgTxt("One outputrequired."); if(!mxIsDouble(prhs[0])||mxGetN(prhs[0])*mxGetM(prhs[0])!=1) mexErrMsgTxt("Input must bescalars."); 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:mexMatlab_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mexEvalString 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 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。 下面是求该矩阵的MEX文件。 #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("Oneinputs required."); if (nlhs != 3) mexErrMsgTxt("Threeoutput required."); if(!mxIsDouble(prhs[0])||mxGetN(prhs[0])*mxGetM(prhs[0])!=1) mexErrMsgTxt("Inputmust 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mexEvalString的功能 mexEvalString("y=y*2"); mexEvalString("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("Oneinput required."); else if(nlhs>1) mexErrMsgTxt("Toomany output arguments."); //检查输入参数是否是一个字符串 if(mxIsChar(prhs[0])!=1) mexErrMsgTxt("Inputmust be a string."); //检查输入参数是否是一个行变量 if(mxGetM(prhs[0])!=1) mexErrMsgTxt("Inputmust 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("Notenough 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
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