【原創】Matlab與.NET基於類型安全的接口混合編程入門

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關鍵詞：Matlab混合編程,C#調用Matlab，Matlab與C#混編，MCR,Type-Safe Interfaces

時間：2013年4月21日,5月5日例子Demo測試成功

1.前言

Matlab Builder NE 工具箱是與C#混編的工具箱，里面的幫助文檔很詳細，提供了4種情況下與.NET混合編程的案例。

1.是簡單的組件集成，通過Matlab生成Dll程序集，在.NET環境中，通過MWArray組件來調用；

2.還有一個是在Web環境下使用Figure和混編的情況，與1比較類似；

3.另外一個就是我們今天要講到的基於類型安全的接口編程，以及對WCF和MEF的支持；

4.最后一個是在.NET Remoting技術中的使用。

在初級入門教程中，以及我現在的混編開發中，都只是用到了第1個方法，和很簡單，也很快，當然要你掌握了很多基礎技術之后才能達到這個水平。今天要見到的基於接口的編程，有一個很大的好處就是可以避免類型轉換，因為之前的方法都有大量的.NET和Matlab類型進行轉換，基礎不扎實的朋友很容易搞混淆。而基於接口的編程，則可以避免很多問題，但同時也對基礎提出了更高的要求，要對接口定義，作用，以及方法多態等面向對象的特性更加了解。

下面截圖是在Matlab幫助的說明：

2.Type-Safe Interfaces簡單說明

與直接編譯為.NET程序集的要求不同，使用這項技術對.NET程序員的要求小很多，只需要很少的Matlab知識，但要對.NET技術精通，

之前由於Matlab的數據類型和.NET的基本數據類型不兼容，所以為了使得Matlab和.NET程序進行數據通信，就需要使用下面的技術：

1)Marshal data from .NET input data to a deployed function by creating an MWArray object from native .NET data. 

The public functions in a deployed component return MWArray objects. 

2)Marshal the output MATLAB data in an MWArray into native .NET data by calling one of the MWArray marshaling methods (ToArray(), for example).

所以使用傳統的混編方式，又很多數據類型轉換的過程。而在使用Type-Safe Interfaces技術后，這些中間過程都可以忽略，

只需要關系輸入的.NET類型以及輸出的.NET類型結果，Matlab會對數據進行內部的轉換處理。可以看看前后2副圖的對比：

 

因此，我們可以很明顯的看到Type-Safe Interfaces帶來的優勢：

You avoid training and coding costs associated with teaching end users to work with MWArrays.

You minimize cost of data you must marshal by either placing MWArray objects in type-safe interfaces or by calling MWArray-based functions in the deployed component. 

Flexibility — you mix type-safe interfaces with manual data marshaling to accommodate data of varying sizes and access patterns. 

For example, you may have a few large data objects (images, for example) that would incur excess cost to your organization if managed

 with a type-safe interface. By mixing type-safe interfaces and manual marshaling, smaller data types can be managed 

automatically with the type-safe interface and your large data can be managed on an as-needed basis.

3.Type-Safe Interfaces實際案例

對這個混編方式，很顯示可以節省很多事情，我認為，作為原始的數據類型轉換方式，還是應該掌握的。在掌握了之后，再使用這個方法，會事半功倍，畢竟不是所有的問題都可以用接口解決。接下來，就讓我們一起用一個小的編程實例，來演示整個過程的使用。

演示環境：Visual Studio 2010，Matlab 2012a,.NET 4.0

演示內容：一個簡單的乘法運算混編實現

一、新建一個 類庫類型的項目 ，名稱MatlabDemo，.NET 4.0，如下圖所示：

一、在上面的項目中添加一個接口文件IMultiply.cs，並編寫下面的代碼，因為我們實現的是一個簡單的乘法，所以添加如下幾個接口方法：

namespace MatlabDemo 
 { 
     /// <summary>乘法接口</summary> 
     public interface IMultiply 
     { 
         //2個數直接相乘 
        double multiply(double x, double y);
 
         //數組相乘 
       double[] multiply(double[] x, double y);
 
         //矩陣相乘 
       double[,] multiply(double[,] x, double[,] y); 
     } 
 }

  這里注意，一定要將接口的可訪問性設置為Public，否則混編的時候，Matlab會找不到接口原型，編譯失敗。編寫好，編譯項目即可，會在bin文件夾下得到MatlabDemo.dll文件，這個文件下面的步驟會用到。

三、編寫M函數，並設置混編項目。我們編寫一個簡單的乘法M函數m，如下所示：

function z = multiply(x, y)

    z = x * y;

注意這里的名稱一定要和接口方法的名稱對於起來，否則Matlab怎么會認識，想想就明白了。然后在Matlab中輸入deploytool命令，輸入項目名稱：TypeSaftDemo，並選擇項目類型：.NET Assembly，這個過程是“混編三部曲”基本過程，以前的視頻中專門見到了，不仔細說明，如下圖所示：

確定之后，混編項目基本就建立了，然后新建一個類DemoTest，並把上面編寫的multiply.m函數添加到這個類中去，這其實就是一個常規的混編過程，很簡單。添加完成之后，如果是普通的混編方式，直接編譯就可以了，但基於接口的混編方式，還有一個過程要設置，看下圖，單擊混編項目的設置(Settings...)：

如下圖，打開設置后，選擇“Type Safe API”選項卡：

首先，選擇我們在第一個過程中編寫好的MatlabDemo.dll接口文件，選擇后，程序會自動搜索該dll中的可用接口（公開的），在.NET interface下拉列表中顯示，選擇你需要的，這里我們是IMultiply,如下圖所示的MatlabDemo.IMultiply,然后選擇該接口和Matlab混編程序中對於的類，我們的multiply.m函數在DemoTest類中，如下圖的Wrapped class:

 設置完成之后，關閉即可。然后編譯，如果沒有問題，提示編譯成功之后，打開編譯好的文件夾，我們可以看到如下3個dll文件：

生成的3個文件，TypeSafeDemo.dll其實和普通的混編方式是一樣的，可以和以前數據類型轉換的方式一樣使用；而DemoTestIMultiply.dll和TypeSafeDemoNative.dll這2個一起使用，Matlab已經在內部將數據轉換過程封裝好了，直接使用即可。第一種方式就不演示了，直接演示如何用接口來計算乘法。

五、C#調用混編好的dll計算結果。在上一節中我們已經說明了幾個dll的作用，下面將演示他們的用法，將DemoTestIMultiply.dll和TypeSafeDemoNative.dll一起復制到測試項目的C#項目中去（新建一個控制台測試項目），分別添加這幾個dll的引用：MWAarray.dll和DemoTestIMultiply.dll以及TypeSafeDemoNative.dll。然后添加命名空間，具體核心代碼如下所示：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

using MathWorks.MATLAB.NET.Arrays;
using MathWorks.MATLAB.NET.Utility;

using TypeSaftDemo;

namespace TypeSaftTest
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //混編接口類的實例化
            DemoTestIMultiply di = new DemoTestIMultiply();
            double[,] a = new double[2,2] {{1,2},{3,4} };
            double[,] b = new double[2, 2] { { 6, 7 }, {8, 9 } };
            //分別演示接口的3種不同調用
            var t1 = di.multiply(3, 5);
            var t2 = di.multiply(new double[] { 1, 2, 3 }, 5);
            var t3 = di.multiply(a, b);
            Console.WriteLine("2個數直接相乘："+t1.ToString());
            Console.Write("數組與單個數直接相乘：");
            foreach (var item in t2 ) Console.Write(item.ToString()+"   ");
            Console.WriteLine();
            Console.Write("矩陣乘法：");
            foreach (var item in t3) Console.Write(item.ToString() + "   ");
            Console.ReadKey ();
        }
    }
}

結果如下圖所示：

 　　上面就是Matlab和C#基於接口的混合編程的詳細過程，混編是一個很有用的工具，但要用好，其實真的很難，接觸混編這么長的時間以來，碰到過很多同學使用這個工具，絕大部分是誤用，導致無故的工作量。要想混編成為自己工作和學習的得力助手，必須加強Matlab和.NET基礎的學習，只有2者的基礎掌握好了，足夠熟悉這2個平台，你才可能更順利的解決混編過程中遇到的問題。當混編出了問題的時候，需要很多經驗才能度過難關，這一點很重要，不要指望學會這個過程，就可以解決所有問題。期待Mathworks公司對Matlab的混編編程支持越來越強大。

4.相關資源

1 Matlab Builder NE具箱的User’s Guide欄目中的Type-Safe Interfaces, WCF, and MEF

2 Loren Shure 博客：

 http://blogs.mathworks.com/loren/2011/06/03/introducing-type-safe-apis-with-builder-ne/

 http://blogs.mathworks.com/loren/2011/06/30/multiple-inputs-and-outputs-in-builder-ne-type-safe-apis/