《应用程序接口》PPT课件.ppt

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1、第20章 应用程序接口,作为一款优秀的工程计算软件，MATLAB不仅拥有强大的功能和友好的界面支持，还具有很好的开放性、可扩展性，主要表现在：丰富的工具箱（Toolbox）资源可以适应各学科、各领域的需要，并且用户可以创建自己的工具箱；广泛的应用程序接口（API），能够与外部应用程序实现“无缝”结合等。本章针对MATLAB的C、FORTRN应用程序接口，主要介绍以下几方面内容：C/FORTRAN语言中的MATLAB数据结构mxArray；MATLAB利用MEX文件调用C/FORTRAN函数；C/FORTRAN通过MATLAB引擎（Engine）调用MATLAB函数；创建能够读写MAT文件的C程

2、序，实现C与MATLAB的数据通信。,20.1 mxArray数据结构,数组是MATLAB程序基本的数据组织形式，也是大部分MATLAB运算的基本运算单位。MATLAB中数组与C/FORTRAN中数组的存储方式是不同的，而且MATLAB和C/FORTRAN对基本数据类型，如双精度类型浮点数、整数类型、字符类型等的定义也是不同的。为了能够在C中表示MATLAB数据结构，MATLAB提供了一种特殊的C语言结构mxArray。本节首先简要介绍MATLAB和C/FORTRAN中数组存储方式的不同，然后详细讨论mxArray数据结构及相关的操作函数mx函数。,20.1.1 MATLAB和C/FORTRA

3、N中的数组,数组是MATLAB数据组织的基本形式，这里首先要澄清两个概念，即数据类型和数据结构。MATLAB的数据类型，诸如整型、浮点型、逻辑型等都是数值类型；另外还有字符、字符串、对象等非数值类型。数据结构是指数据元素的组织方式，基本的有数组，另外还有元胞、构架等复杂数据结构，每个数据元素都有对应的数据类型。MATLAB按列主序组织数组中的数据元素，例如对一个3阶魔术矩阵A，在MATLAB命令窗口输入以下代码。a=magic(3)运行结果如下。a=8 1 6 3 5 7 4 9 2,20.1.2 mxArray,mxArray是一种C语言结构体，该结构体的定义在Matrix.h中，下面列出了

4、mxArray定义相关的代码：mxArray结构体由很多字段组成，这些字段保存了MATLAB数据的所有信息：数据类型；数组维数；数组大小，行数、列数；数据主体；如果是数值对象，则保存数据是实数还是复数；如果是稀疏矩阵，则保存矩阵中非零元素的个数和索引。,20.1.3 mx函数,为了方便mxArray数据对象的操作，MATLAB专门提供了一组mxArray数据操作函数，即mx函数。利用mx函数可以创建和访问mxArray数据对象，本小节首先介绍几类主要mxArray数据对象的创建，其间会涉及相应mxArray数据对象的访问和赋值操作，随后讨论了mxArray数据对象相关的内存操作。下面对两类常用

5、的mxArray数据对象的创建及相关的访问、赋值操作进行详细介绍，这两类mxArray数据对象是：数值数组；逻辑数组。,20.2 C/FORTRAN MEX,C/FORTRAN语言应用于工程、科学等领域具有较长的历史，积累了大量可用的代码，通过MEX文件，可以直接将这些已有的C/FORTRAN代码集成到MATLAB应用中，而且能够弥补MATLAB本身的一些不足，如对计算机低层硬件的操作、网络操作等。本节首先简要介绍C MEX文件的结构，为了创建C MEX文件，需要对MATLAB 编译器作相关的设置MEX配置，和分别以示例的形式讨论了C MEX和FORTRAN MEX的创建方法。注意：MEX是M

6、ATLAB Compiler 3等早期MATLAB编译器的功能，MATLAB 7.0的编译器（MATLAB Compiler 4）已不能支持MEX文件。,20.2.1 MEX文件简介,MEX即为MATLAB和Executable的缩写，一般地，MEX文件由C语言或FORTRAN语言开发，经过编译后可以被MATLAB直接调用。在使用上MEX文件与M文件相似，但比M文件具有更高的执行优先级。利用MEX文件，用户可以完成：在MATLAB直接使用已有的C/FORTRAN代码；隐藏算法的细节；利用C语言对低层硬件进行操作，扩展MATLAB的能力。,20.2.2 配置MEX,MEX文件一般由C/FORTR

7、AN语言开发，然后利用MATLAB Compiler将C/FORTRAN源代码编译为MEX文件。为此需要对MATLAB Compiler作相应的配置，配置过程与本书第19章的mbuild配置相似，即是选择合适的C/FORTRAN编译器。在MATLAB命令窗口输入以下指令：mex setup运行结果如下。Please choose your compiler for building external interface(MEX)files:Would you like mex to locate installed compilers y/n?,20.2.3 C MEX,前面对MEX文件的结构

8、、MATLAB Compiler的MEX配置进行了详细介绍，本小节通过一个简单的例子说明创建C MEX应用程序的完整过程。,20.2.4 FORTRAN MEX,作为专业的科学计算程序语言，FORTRAN在数值计算方面具有很多优于C语言的性质，所以FOTRAN MEX在MATLAB外部接口编程中也经常遇到。FORTRAN MEX的创建方法与C MEX非常相似，下面就以上一小节相同的例子介绍FORTRAN MEX的创建过程。,20.3 MATLAB引擎,前面介绍了利用MEX文件在MATALB集成已有的C/FORTRAN代码。尽管MATLAB在科学计算、工程应用领域具有无可比拟的优势，但在复杂用户

9、界面、底层硬件设备操作等方面都有较大的缺陷。一种可行的方案是在C/C+等高级语言中调用MATLAB函数实现后台计算，而用户界面、底层硬件操作由C/C+等完成。为了能够在其他高级语言中调用MATLAB函数，MATLAB提供了多种手段完成，其中计算引擎是一种常用也是最容易实现的一种方法。本节首先简要介绍了MATLAB引擎应用程序的工作原理和基本结构，第节详细讨论了引擎函数（eng函数），最后以一个示例介绍设计MATLAB引擎应用程序的完整过程。,20.3.1 MATLAB引擎简介,MATLAB引擎应用程序的思路与MEX文件相反，MEX文件是在MATLAB环境下调用C/FORTRAN程序，而MATL

10、AB引擎是在C/FORTRAN中调用MATLAB函数。MATLAB引擎应用程序一般由C/FORTRAN语言开发，运行时利用某种通信机制将计算任务请求提交给后台的MATLAB进程，后台MATLAB进程完成计算任务后将结果返回给C/FORTRAN主程序。在Windows平台下，这种通信机制是利用COM应用接口IEngine完成的，图20.5显示了MATLAB引擎应用程序的工作原理。,20.3.2 MATLAB引擎函数,MATLAB引擎应用程序通过在C/FORTRAN语言中调用一组MATLAB API函数，实现客户应用程序与MATLAB环境的交互，这些函数以eng为前缀。C/FORTRAN通过MAT

11、LAB引擎函数打开或关闭MATLAB引擎，从MATLAB中获取数据或向MATLAB写入数据及执行MATLAB命令等操作。,MATLAB引擎函数,20.3.3 MATLAB引擎应用示例,前面介绍了MATLAB引擎应用程序的基本原理、基本结构及引擎函数，下面以一个具体的例子说明创建MATLAB引擎应用程序的完整过程。,20.4 C读写MAT文件,MAT文件是MATLAB用于存储数据的一种特殊二进制文件，利用MATLAB API提供的接口函数（mat函数），C/FORTRAN可以方便地读写MAT文件，从而实现C/FORTRAN程序和MATLAB的数据通信。本节首先简要介绍MAT文件的结构及其在MAT

12、LAB中的应用，介绍C读写MAT文件的接口函数（MAT函数），最后给出了一个C读写MAT文件的应用示例。说明：MATLAB为用户提供了丰富的数据I/O接口，可以读取各种数据文件，如文本文件、二进制文件、图像文件、声音文件、视频文件等，详细内容可以参考本书第18章。,20.4.1 MAT文件,MAT文件是MATLAB提供的用于存储数据的一种特殊二进制文件，MAT文件能够独立于各种平台，为MATLAB提供了跨平台的数据交互能力。MAT文件可以分为文件头和数据主体两部分，其中文件头包含了一些描述性的信息及相应版本、标识信息，这部分占用128个字节；数据体按照数据类型、数据长度和数据依次保存。在MAT

13、LAB中，用户可以通过save指令将当前工作空间中的指定变量保存至MAT文件中，当用户需要再次使用这些变量时，可以通过load指令方便地将数据导入到当前工作空间中。,20.4.2 MAT函数,利用C读写MAT数据文件，需要调用MATLAB API提供的mat函数，这些函数具有C语言的格式用于MAT数据文件的打开关闭、读写数据等操作：matOpen，用于打开MAT数据文件；matClose，关闭MAT数据文件；matGetVariable，读入MAT数据文件中的变量；matPutVariable，将变量写入到MAT数据文件中。,20.4.3 C读写MAT文件,本小节通过一个简单的示例说明创建C读写MAT文件应用程序的完整过程。,