如何讓matlab用mex與C連線使用有例子
如果我有一個用C語言寫的函式，實現了一個功能，如一個簡單的函式：
double add(double x, double y)
{ return x + y; }
現在我想要在Matlab中使用它，比如輸入：
>> a = add(1.1, 2.2)
3.3000
要得出以上的結果，那應該怎樣做呢？
解決方法之一是要通過使用MEX檔案，MEX檔案使得呼叫C函式和呼叫Matlab的內建函式一樣方便。MEX檔案是由原C程式碼加上MEX檔案專用的介面函式後編譯而成的。可以這樣理解，MEX檔案實現了一種介面，它把在Matlab中呼叫
所以現在我們要寫一個包含add和mexFunction的C檔案，Matlab呼叫函式，把函式中的自變數（如上例中的1.1和2.2）傳給 mexFunction的一個引數，mexFunction把該值傳給add，把得出的結果傳回給mexFunction的另一個引數，Matlab通過該引數來給出在Matlab語句中呼叫函式時的輸出值（如上例中的a）。
值得注意的是，mex檔案是與平臺有關的，以我的理解，mex檔案就是另類的動態連結庫。在matlab6.5中使用mex -v 選項，你可以看到最後mex階段有類似如下的資訊：
--> "del _lib94902.obj"
--> "del "test.exp""
--> "del "test.lib""
也就是說，雖然在matlab6.5生成的是dll檔案，但是中間確實有過lib檔案生成。
比如該C檔案已寫好，名為add.c。那麼在Matlab中，輸入：
>> mex add.c
就能把add.c編譯為MEX檔案（編譯器的設定使用指令mex -setup），在Windows中，MEX檔案型別為mexw32，即現在我們得出add.mexw32檔案。現在，我們就可以像呼叫M函式那樣呼叫
我們現在來說mexFunction怎樣寫。
mexFunction的定義為：
void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])
{
}
可以看到，mexFunction是沒返回值的，它不是通過返回值把結果傳回Matlab的，而是通過對引數plhs的賦值。mexFunction的四個引數皆是說明Matlab呼叫MEX檔案時的具體資訊，如這樣呼叫函式時：
>> b = 1.1; c = 2.2;
>> a = add(b, c)
mexFunction四個引數的意思為：
nlhs = 1，說明呼叫語句左手面（lhs－left hand side）有一個變數，即a。
nrhs = 2，說明呼叫語句右手面（rhs－right hand side）有兩個自變數，即b和c。
plhs是一個數組，其內容為指標，該指標指向資料型別mxArray。因為現在左手面只有一個變數，即該陣列只有一個指標，plhs[0]指向的結果會賦值給a。
prhs和plhs類似，因為右手面有兩個自變數，即該陣列有兩個指標，prhs[0]指向了b，prhs[1]指向了c。要注意prhs是const的指標陣列，即不能改變其指向內容。
因為Matlab最基本的單元為array，無論是什麼型別也好，如有double array、 cell array、 struct array……所以a,b,c都是array，b = 1.1便是一個1x1的double array。而在C語言中，Matlab的array使用mxArray型別來表示。所以就不難明白為什麼plhs和prhs都是指向mxArray型別的指標陣列。
完整的add.c如下：
#include "mex.h" // 使用MEX檔案必須包含的標頭檔案
// 執行具體工作的C函式
double add(double x, double y)
{
return x + y;
}
// MEX檔案介面函式
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的內容是什麼意思呢？我們知道，如果這樣呼叫函式時：
>> output = add(1.1, 2.2);
在未涉及具體的計算時，output的值是未知的，是未賦值的。所以在具體的程式中，我們建立一個1x1的實double矩陣（使用 mxCreateDoubleMatrix函式，其返回指向剛建立的mxArray的指標），然後令plhs[0]指向它。接著令指標a指向plhs [0]所指向的mxArray的第一個元素（使用mxGetPr函式，返回指向mxArray的首元素的指標）。同樣地，我們把prhs[0]和prhs [1]所指向的元素（即1.1和2.2）取出來賦給b和c。於是我們可以把b和c作自變數傳給函式add，得出給果賦給指標a所指向的mxArray中的元素。因為a是指向plhs[0]所指向的mxArray的元素，所以最後作輸出時，plhs[0]所指向的mxArray賦值給output，則 output便是已計算好的結果了。
上面說的一大堆指向這指向那，什麼mxArray，初學者肯定都會被弄到頭暈眼花了。很抱歉，要搞清楚這些亂糟糟的關係，只有多看多練。
實際上mexFunction是沒有這麼簡單的，我們要對使用者的輸入自變數的個數和型別進行測試，以確保輸入正確。如在add函式的例子中，使用者輸入char array便是一種錯誤了。
從上面的講述中我們總結出，MEX檔案實現了一種介面，把C語言中的計算結果適當地返回給Matlab罷了。當我們已經有用C編寫的大型程式時，大可不必在 Matlab裡重寫，只寫個介面，做成MEX檔案就成了。另外，在Matlab程式中的部份計算瓶頸（如迴圈），可通過MEX檔案用C語言實現，以提高計算速度。
以上是對mex檔案的初步認識，下面詳細介紹如何用c語言編寫mex檔案：
1 為什麼要用C語言編寫MEX檔案
MATLAB是矩陣語言，是為向量和矩陣操作設計的，一般來說，如果運算可以用向量或矩陣實現，其運算速度是非常快的。但若運算中涉及到大量的迴圈處理，MATLAB的速度的令人難以忍受的。解決方法之一為，當必須使用for迴圈時，把它寫為MEX檔案，這樣不必在每次執行迴圈中的語句時MATLAB都對它們進行解釋。
2 編譯器的安裝與配置
要使用MATLAB編譯器，使用者計算機上應用事先安裝與MATLAB適配的以下任何一種ANSI C/C++編譯器：
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自帶，只能用來產生MEX檔案)
下面是安裝與配置MATLAB編譯器應用程式MEX的設定的步驟：
(1)在MATLAB命令視窗中執行mex –setup，出現下列提示：
Please choose your compiler for building external interface (MEX) files:
Would you like mex to locate installed compilers [y]/n?
(2)選擇y，MATLAB將自動搜尋計算機上已安裝的外部編譯器的型別、版本及所在路徑，並列出來讓使用者選擇：
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)選擇其中一種(在這裡選擇了3)，MATLAB讓使用者進行確認：
Please verify your choices:
Compiler: Lcc C 2.4
Location: D:\MATLAB6P5P1\sys\lcc
Are these correct?([y]/n):
(4)選擇y，結束MATLAB編譯器的配置。
3 一個簡單的MEX檔案例子
【例1】用m檔案建立一個1000×1000的Hilbert矩陣。
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中新建一個Matlab_1.cpp 檔案並輸入以下程式：
#include "mex.h"
//計算過程
void hilb(double *y,int n)
{
int i,j;
for(i=0;i
for(j=0;j
*(y+j+i*n)=1/((double)i+(double)j+1);
}
//介面過程
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);
}
該程式是一個C語言程式，它也實現了建立Hilbert矩陣的功能。在MATLAB命令視窗輸入以下命令：mex Matlab_1.cpp，即可編譯成功。進入該資料夾，會發現多了兩個檔案：Matlab_1.asv和Matlab_1.dll，其中Matlab_1.dll即是MEX檔案。執行下面程式：
tic
a=Matlab_1(1000);
toc
elapsed_time =
0.0470
由上面看出，同樣功能的MEX檔案比m檔案快得多。
4 MEX檔案的組成與引數
MEX檔案的原始碼一般由兩部分組成：
(1)計算過程。該過程包含了MEX檔案實現計算功能的程式碼，是標準的C語言子程式。
(2)入口過程。該過程提供計算過程與MATLAB之間的介面，以入口函式mxFunction實現。在該過程中，通常所做的工作是檢測輸入、輸出引數個數和型別的正確性，然後利用mx-函式得到MATLAB傳遞過來的變數(比如矩陣的維數、向量的地址等)，傳遞給計算過程。
MEX檔案的計算過程和入口過程也可以合併在一起。但不管那種情況，都要包含#include "mex.h"，以保證入口點和介面過程的正確宣告。注意，入口過程的名稱必須是mexFunction，並且包含四個引數，即：
void mexFunction(int nlhs,mxArray *plhs[],int nrhs,const mxArray *prhs[])
其中，引數nlhs和nrhs表示MATLAB在呼叫該MEX檔案時等式左端和右端變數的個數，例如在MATLAB命令視窗中輸入以下命令：
[a,b,c]=Matlab_1(d,e,f,g)
則nlhs為3，nrhs為4。
MATLAB在呼叫MEX檔案時，輸入和輸出引數儲存在兩個mxArray*型別的指標陣列中，分別為prhs[]和plhs[]。prhs[0]表示第一個輸入引數，prhs[1]表示第二個輸入引數，…，以此類推。如上例中，d→prhs[0]，e→prhs[1]，f→prhs[2]，f→prhs[3]。同時注意，這些引數的型別都是mxArray *。
介面過程要把引數傳遞給計算過程，還需要從prhs中讀出矩陣的資訊，這就要用到下面的mx-函式和mex-函式。
5 常用的mex-函式和mx-函式
在MATLAB6.5版本中，提供的mx-函式有106個，mex-函式有38個，下面我們僅介紹常用的函式。
5.1入口函式mexFunction
該函式是C MEX檔案的入口函式，它的格式是固定的：
void mexFunction(int nlhs,mxArray *plhs[],int nrhs,const mxArray *prhs[])
說明：MATLAB函式的呼叫方式一般為：[a,b,c,…]=被呼叫函式名稱(d,e,f,…)，nlhs儲存了等號左端輸出引數的個數，指標陣列plhs具體儲存了等號左端各引數的地址，注意在plhs各元素針向的mxArray記憶體未分配，需在介面過程中分配記憶體；prhs儲存了等號右端輸入引數的個數，指標陣列prhs具體儲存了等號右端各引數的地址，注意MATLAB在呼叫該MEX檔案時，各輸入引數已存在，所以在介面過程中不需要再為這些引數分配記憶體。
5.2出錯資訊釋出函式mexErrMsgTxt，mexWarnMsgTxt
兩函式的具體格式如下：
#include "mex.h"
void mexErrMsgTxt(const char *error_msg);
void mexWarnMsgTxt(const char *warning_msg);
其中error_msg包含了要顯示錯誤資訊，warning_msg包含要顯示的警告資訊。兩函式的區別在於mexErrMsgTxt顯示出錯資訊後即返回到MATLAB，而mexWarnMsgTxt顯示警告資訊後繼續執行。
5.3 mexCallMATLAB和mexEvalString
兩函式具體格式如下：
#include "mex.h"
int mexCallMATLAB(int nlhs, mxArray *plhs[],
int nrhs, mxArray *prhs[], const char *command_name);
int mexEvalString(const char *command);
mexCallMATLAB前四個引數的含義與mexFunction的引數相同，command_name可以MATLAB內建函式名、使用者自定義函式、M檔案或MEX檔名構成的字串，也可以MATLAB合法的運算子。
mexEvalString用來操作MATLAB空間已存在的變數，它不返回任何引數。
mexCallMATLAB與mexEvalString差異較大，請看下面的例子。
【例2】試用MEX檔案求5階完全圖鄰接矩陣 的特徵值及對應的特徵向量。
5階完全圖的鄰接矩陣為：（這裡找不到圖片了，抱歉。不過不會影響您對本文的理解。）
下面是求該矩陣的MEX檔案。
[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計算特徵值
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命令視窗輸入以下命令：
>> 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的特徵值為–1和4，其中–1是四重根。MATLAB提供了mexGetVariable、mexPutVariable函式，以實現MEX空間與其它空間交換資料的任務，具體可以參看MATLAB幫助文件。
5.4建立二維雙精度矩陣函式mxCreateDoubleMatrix
其格式具體如下：
#include "matrix.h"
mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity ComplexFlag);
其中m代表行數，n代表列數，ComplexFlag可取值mxREAL 或mxCOMPLEX。如果建立的矩陣需要虛部，選擇mxCOMPLEX，否則選用mxREAL。
類似的函式有：
| mxCreateCellArray |
建立n維元胞mxArray |
| mxCreateCellMatrix |
建立二維元胞mxArray |
| mxCreateCharArray |
建立n維字串mxArray |
|
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