VC與Matlab混合編程

本文主要介紹VC與Matlab混合編程的兩種方法，並詳細介紹了VC向Matlab傳遞復雜數據：結構體的方法，有詳細代碼說明。

Matlab 主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境，但由於Matlab開發平台上開發的程序不能脫離Matlab運行環境，因而在處理一些實際應用問題時顯得靈活性不足，而VC++則在一定程度上能夠彌補這一漏洞，因此，將二者結合共用，各獻其長，可以為科研工作和工程開發提供更為強大的技術支持。

Matlab作為控制系統設計的一種通用工具，它可以很方便的和VC進行連接。一般而言，Matlab與VC混合編程的實現方法有很多種，這里主要介紹以下兩種：

1.  VC調用Matlab Engine的方式：

Matlab Engine是一組Matlab提供的接口函數，支持C/C++語言，Matlab Engine采用C/S(客戶機/服務器)模式，Matlab作為后台服務器，而C/C++程序作為前台客戶機，向Matlab Engine傳遞執行命令和數據信息，從Matlab Engine接收執行結果。用戶可以在前台應用程序中調用這些接口函數，實現對Matlab Engine的控制。采用這種方法幾乎能利用Matlab全部功能，但是需要在機器上安裝Matlab軟件，缺點是執行效率較低。下面簡單介紹下這種方式的實現步驟：

1.1 API接口介紹

先來介紹一組Matlab提供的引擎API接口：(僅作簡單功能介紹，詳細參數說明請參考Matlab幫助)

Engine* engOpen(const char* startcmd)啟動Matlab引擎

int engClose(Engine* ep) 關閉Matlab引擎

int engEvalString(Engine* ep, const char* string)執行Matlab表達式

mxArray* engGetArray(Engine* ep, const char* name)獲取一個變量數組的值

int engPutArray(engine* ep, const mxArray* mp)設置一個變量數組的值

int engPutVariable(Engine *ep, const char *name, const mxArray *pm)同上

mxArray *engGetVariable(Engine *ep, const char *name)獲取一個變量

int engOutputBuffer(Engine* eP，char* p，int n)獲取輸出字符串

 

1.2   VC環境配置

要想在VC集成環境下調用Matlab引擎實現VC和Matlab的混合編程，一般需要經過以下幾個必要的步驟：(以下以Matlab2008a和VS2005版本為例)

（1）添加include路徑：將“\extern\include”(在Matlab的安裝路徑下)路勁添加到VC編譯器的include下

（2）添加lib路徑：將“\extern \lib\win32\microsoft” (在Matlab的安裝路徑下) 路徑添加到VC編譯器的lib下

（3）加載lib：需要加載至少libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib三個庫

（4）include頭文件：在要使用 engine 函數的地方包含engine.h頭文件

 

1.3   引擎調用

接下來就可以在VC中調用Matlab引擎了，簡單的示例代碼如下：

#include "engine.h"

#pragma comment(lib, "libeng.lib")
#pragma comment(lib, "libmx.lib")
#pragma comment(lib, "libmat.lib")

void TestDeno()
{
    Engine* pEng = NULL;
    if (!(pEng = engOpen(NULL)))
    {
        printf("Open matlab enging fail!");
        return;
    }

    //call Engine plot A*sin(t)+B A=2 B=1

    mxArray *A = NULL;

    double init = 2;
    A = mxCreateDoubleMatrix(1, 1, mxREAL);
    memcpy((void*) mxGetPr(A), (void*)&init, sizeof (double));
    engPutVariable(pEng, "A", A);

    init = 1;
    memcpy((void*) mxGetPr(A), (void*)&init, sizeof (double));
    engPutVariable(pEng, "B", A);

    mxDestroyArray(A);

    Sleep(3*60*1000);

    engEvalString(pEng, "t=0:0.2:7;plot(t,A*sin(t)+B);");

    if(NULL != pEng)
    {
        engClose(pEng);
    }
}

示例代碼通過VC調用Matlab引擎，繪制正弦曲線，相對簡單，就不再詳細解釋，效圖如下：

  

2. VC調用Matlab DLL的方式

DLL是一個可執行的二進制文件。把很多通用的功能放在DLL中，可以供各種應用程序調用，這樣可以很好的減少外部存儲空間的占有量，並實現代碼的共享。Matlab也支持將m程序編譯成dll，供其他語言(包括VC、VB、Fortran等)調用，下面先簡單介紹下Matlab DLL的編譯步驟：

2.1  Matlab DLL制作

（1）配置Matlab的編譯器跟，要將mex和mbuil兩個都配置成本機上安裝的VC，mbuild的配置方法同mex

（2）編譯m函數成為dll，在matlab命令空間中使用mcc命令編譯m文件：(mcc的使用參考Matlab幫助)

示例：將一個Matlab函數MyFun 編譯成libMyFun 的命令：

mcc –W cpplib:libMyFun –T link:lib MyFun

參數說明：-W控制編譯之后的封裝格式，cpplib表示c++的lib，冒號之后是編譯輸出lib名，-T表示目標，link:lib表示連接到lib的目標，MyFun是待編譯的m文件名，編譯成功之后，會輸出三個文件：libMyFun.lib libMyFun.dll libMyFun.h

 

2.2 DLL在VC中調用

要想在VC集成環境下調用Matlab的DLL，實現VC和Matlab的混合編程，一般需要經過以下幾個必要的步驟：(以下以Matlab2008a和VS2005版本為例)

（1）VC環境配置，同前面VC調用Matlab引擎方式類似，也需要配置VC的編譯環境，其中include路徑、lib路徑和前一種方式相同，加載的lib變更為：mclmcrrt.lib、libmx.lib、libmat.lib、mclmcr.lib四個，include的頭文件變更為：mclmcr.h、matrix.h、mclcppclass.h三個。

（2）DLL中函數的調用，先看一下m函數編譯成C++Dll之后的函數聲明，例：matlab函數：function [y, out] = CaculateFun(x, in)編譯之后對應c++的聲明:void MW_CALL_CONVCaculateFun(int nargout, mwArray& y, mwArray& out, const mwArray& x, const mwArray& in)參數int nargout指定調用時，輸出參數的個數，緊跟的后續nargout個參數y、out為輸出參數，后續再剩下的多個參數x、in就為輸入參數。

（3）注意事項：在VC中調用dll中的函數之前，需要先調用函數libFunInitialize初始化，在調用完函數以后，需要再調用函數libFunTerminate和mclTerminateApplication終止。

准備好了上述步驟，就可以在VC中調用DLL中函數的了，簡單的示例代碼如下：

// include matlab sys head file
#include "mclmcr.h"
#include "matrix.h"
#include "mclcppclass.h"

// include lib head file
#include "libCaculateFun.h"

// link matlab sys lib
#pragma comment(lib, "mclmcrrt.lib")
#pragma comment(lib, "libmx.lib")
#pragma comment(lib, "libmat.lib")
#pragma comment(lib, "mclmcr.lib")

// link lib
#pragma comment(lib, "libCaculateFun.lib")

void TestDeno()
{
    // init lib
    if (!(libCaculateFunInitialize()))
    {
        std::cout<<"Could not init lib !"<<endl;
        return -1;
    }

    double xxxx[2] = {0};
    double inin    = 0;

    double yyyy[2] = {0};
    double outo    = 0;

    // 為函數參數分配內存空間
    mwArray mwXX(1, 2, mxDOUBLE_CLASS);
    mwArray mwIn(1, 1, mxDOUBLE_CLASS);

    mwArray mwYY(1, 2, mxDOUBLE_CLASS);
    mwArray mwOut(1, 2, mxDOUBLE_CLASS);

    // 為輸入參數賦值
    mwXX.SetData(&xxxx, 2);
    mwIn.SetData(&inin, 1);

    // 調用計算函數
    CaculateFun(2, mwYY, mwOut, mwXX, mwIn);

    // 獲取輸出參數
    outo = mwOut.Get(1, 1);

    // lib Terminate
    libCaculateFunTerminate();

    // MCR Terminate
    mclTerminateApplication();
}

示例代碼通過VC調用Matlab DLL，將變量xxxx的值付給yyyy，將變量inin的值付給outo，相對簡單，就不再詳細解釋。

 

3.  VC向Matlab函數傳遞參數

前面在介紹兩種混合編程的方式時，示例代碼中已經涉及到了參數的傳遞問題，對於VC中的簡單數據類型：變量、數組等，網上已經有很多資料介紹，前面示例代碼中也有所體現，這里不再詳細說明。

關於復雜數據結構：用戶自定義結構體類型，處理起來比較麻煩，網上能找到的資料也較少，由於前面提及的兩種方式，在傳遞參數時，使用的數據類型是不一致的：引擎方式只能是mxArray類型，而DLL方式的參數只能是mwArray，因此需要分別介紹將結構體轉換成這兩種類型的方法：

先來定義兩個結構體：

// 三維坐標系中的點
struct Postion
{
    double x;
    double y;
    double z;
};

// 名字標示的一個坐標點
struct Coordinate
{
    struct Postion pos;
    char name[ARRAYSIZE];
};

分別介紹將如上兩個結構體轉成Matlab能使識別的Array的方法

（1）結構體轉換成mxArray：解釋比較多余，就直接上代碼吧：

mxArray *Staruct2mxArray(struct Postion *pStaruct)
{
    mxArray *pm, *mx;
    mwSize m = 1, n = 1;
    const int nfields = 3;
    const char *fieldnames[3] = {"x","y","z"};
    const mwIndex index = 0;

    pm = mxCreateStructMatrix(m, n, nfields, fieldnames);

    mx = mxCreateNumericMatrix(m, n, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
    memcpy(mxGetPr(mx), &(pStaruct->x), sizeof(double));
    mxSetFieldByNumber(pm, index, 0, mx);

    mx = mxCreateNumericMatrix(m, n, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
    memcpy(mxGetPr(mx), &(pStaruct->y), sizeof(double));
    mxSetFieldByNumber(pm, index, 1, mx);

    mx = mxCreateNumericMatrix(m, n, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
    memcpy(mxGetPr(mx), &(pStaruct->z), sizeof(double));
    mxSetFieldByNumber(pm, index, 2, mx);

    return pm;
}

mxArray *Staruct2mxArray(struct Coordinate *pStaruct)
{
    mxArray *pm, *mx;
    mwSize m = 1, n = 1;
    const int nfields = 2;
    const char *fieldnames[2] = {"pos","name"};
    const mwIndex index = 0;

    pm = mxCreateStructMatrix(m, n, nfields, fieldnames);

    mx = Staruct2mxArray(&(pStaruct->pos));
    mxSetFieldByNumber(pm, index, 0, mx);

    n = ARRAYSIZE;
    mx = mxCreateNumericMatrix(m, n, mxCHAR_CLASS, mxREAL);
    memcpy(mxGetPr(mx), pStaruct->name, sizeof(char)*ARRAYSIZE);
    mxSetFieldByNumber(pm, index, 1, mx);

    return pm;
}

（2）結構體轉換成mwArray：

mwArray Staruct2mwArray(struct Postion *pStaruct)
{
    mwSize m = 1, n = 1;
    const int nfields = 3;
    const char *fieldnames[3] = {"x","y","z"};

    mwArray pm(m, n, nfields, fieldnames);

    mwArray mx(pStaruct->x);
    pm(fieldnames[0], 1, 1) = mx;

    mwArray my(pStaruct->y);
    pm(fieldnames[1], 1, 1) = my;

    mwArray mz(pStaruct->z);
    pm(fieldnames[2], 1, 1) = mz;

    return pm;
}

mwArray Staruct2mwArray(struct Coordinate *pStaruct)
{
    mwSize m = 1, n = 1;
    const int nfields = 2;
    const char *fieldnames[2] = {"pos","name"};
    const mwIndex index = 0;

    mxArray pm(m, n, nfields, fieldnames);

    mxArray mpos = Staruct2mwArray(&(pStaruct->pos));
    pm(fieldnames[0], 1, 1) = mpos;

    mxArray mname(pStaruct->name);
    pm(fieldnames[1], 1, 1) = mname;

    return pm;
}

（3）mxArray轉換成結構體：

struct Coordinate *mwArray2Staruct(mwArray pm)
{
    // 代碼僅處理 name 字段 pos 字段是三個簡單類型省略
    struct Coordinate *pStaruct = new struct Coordinate;

    const int nfields = 2;
    const char *fieldnames[2] = {"pos","name"};

    mwArray mwStr = pm.Get(fieldnames[1], 1, 1);
    char *str = strdup(mwStr.ToString());

    memcpy(pStaruct->name,str,sizeof(char)*ARRAYSIZE);

    return pStaruct;
}

 

（4）mwArray轉換成結構體:

struct Coordinate *mxArray2Staruct(mxArray *pm)
{
    // 代碼僅處理 name 字段 pos 字段是三個簡單類型省略
    struct Coordinate *pStaruct = new struct Coordinate;

    mxArray * mxname = mxGetFieldByNumber(pm, 1, 1)
    mxArray * str = mxGetPr(mxname);

    memcpy(pStaruct->name,str,sizeof(char)*ARRAYSIZE);

    return pStaruct;
}