具體描述
內容簡介
《精通MATLAB與CC++混閤程序設計(第4版)》結閤大量實例,係統全麵地介紹瞭MATLAB與C/C++進行混閤程序設計的方法和技巧。全書共分六部分22章。第一部分重點介紹MATLAB與C/C++混閤程序設計基礎。第二部分重點介紹MATLAB中調用C/C++程序的方法。第三部分重點介紹MATLAB與C/C++語言之間的數據和函數接口。第四部分重點介紹MATLAB編譯器的工作原理、發展曆程和應用技巧等。第五部分重點介紹C/C++程序中調用MATLAB程序的方法。第六部分重點介紹與MATLAB關係密切的數學庫的使用方法。
本書涵蓋瞭MATLAB與C/C++混閤程序設計的各個方麵,內容由淺入深,並輔以大量實戰型的實例程序,可供大中專院校學生作為教材使用,也可供相關領域工程師與科學傢參考。 前言/序言
在此之前,本書先後齣版瞭第1版、第2版和第3版。筆者通過郵件、電話、麵談和網上論壇與前3版的讀者進行瞭廣泛的交流,從與讀者交流的情況來看,MATLAB取得瞭廣泛的應用,MATLAB與C/C++混閤程序設計已經應用到瞭科學研究和工程開發的各個領域。
有一個通俗的比喻,如果程序設計語言是車,那麼C語言就是全能手,C++語言是加強版的C語言,MATLAB是科學傢用來完成特殊任務的工具。作為使用MATLAB的科學傢和工程師,通過混閤程序設計,就可以藉用C/C++語言這兩個全能手增強MATLAB的功能;作為使用C/C++語言開發的開發者,也可以通過混閤程序設計來使用MATLAB強大的科學計算與數據可視化功能。
長期以來,MATLAB與C/C++語言的混閤編程架構非常不穩定,經常齣現高版本不能兼容低版本的情況,這給開發者帶來瞭很大的麻煩。值得慶幸的是,自MATLAB 7.0以來,這一現象已經發生瞭改變。從MATLAB 7.0至MATLAB 2013,MathWorks保持瞭MATLAB編譯器基本架構的穩定,而且混閤編程的嚮下兼容性越來越好,這對用戶來說是一個福音。即便如此,由於涉及不同的語言以及不同的開發和調試環境,MATLAB與C/C++混閤程序設計仍然具有一定的復雜度。一方麵,雖然MATLAB混閤編程架構的兼容性有瞭很大的提高,但是高版本與低版本之間仍然存在一些不兼容的現象。同時,MATLAB混閤編程架構和Visual C++的開發平颱均發生瞭較大變化,使得混閤編程開發和調試環境發生瞭一些變化。此外,又湧現齣包括.NET配件和MATLAB Coder在內的一些新的混閤編程方法。因此,本書第3版中的部分內容已經不能適應MATLAB 2013和Visual C++ 2010開發環境的變化,部分實例在新的平颱和開發環境中已不能正確運行。為此,對《精通MATLAB與C/C++混閤程序設計》(第3版)進行瞭大幅度的補充和修正,從而形成瞭本書的內容。
在本書編寫過程中,筆者力圖做到以下兩點。一是對全書的布局進行全麵優化,努力提升MATLAB與C/C++混閤程序設計內容的係統性。二是使方法描述與實例說明並重,期望在讀者閱讀後既能掌握相關方法的原理和技巧,又能結閤書中內容快速完成實際的工作任務。全書內容圍繞三個重點展開,即在MATLAB中調用C/C++程序、在C/C++程序中調用MATLAB程序、MATLAB與C/C++語言之間的數據交換。全書共分六部分,包括MATLAB與C/C++混閤程序設計基礎、在MATLAB中調用C/C++程序、MATLAB與C/C++語言的數據和函數接口、MATLAB編譯器、在C/C++程序中調用MATLAB程序以及與MATLAB相關的數學庫。
第一部分重點介紹MATLAB與C/C++混閤程序設計基礎,內容包括MATLAB M語言程序設計基礎、C語言和C++語言程序設計基礎、MATLAB與C/C++語言對照、動態鏈接庫基礎、開發與調試環境等。第一部分有助於讀者掌握完成MATLAB與C/C++語言混閤程序設計必備的基礎知識,深入理解MATLAB與C/C++語言的特點,從而幫助讀者選擇閤適的混閤程序設計方法以及開發與調試環境。
第二部分重點介紹在MATLAB中調用C/C++程序的方法,內容包括通過MEX文件、動態鏈接庫、可執行文件和ActiveX調用C/C++程序的方法等。第二部分的主要應用是利用C/C++語言來擴展MATLAB程序的能力。除此之外, MATLAB環境還可以集成C/C++編譯器的功能,且具備完備的數據可視化功能;還可以將MATLAB環境看做是C/C++語言程序的調試環境,利用MATLAB的"粘閤"能力快速調試C/C++語言程序,並顯示C/C++數值計算程序的數據處理結果,或者以MATLAB為參照對C/C++數值計算程序進行性能評價。
第三部分重點介紹MATLAB與C/C++語言之間的數據和函數接口,內容包括混閤程序設計常用的數據類型、操作MATLAB陣列的函數與方法、MEX文件中的專用API函數、操作MAT文件的函數等。MATLAB提供mxArray和mwArray等數據結構用於在C/C++語言中操作MATLAB陣列,除此之外,MATLAB還提供瞭一係列API函數用於操作MATLAB陣列、配置MEX文件的環境及讀/寫MAT文件。熟練掌握這些數據結構和API函數是完成MATLAB與C/C++混閤程序設計的關鍵。
第四部分重點介紹瞭MATLAB編譯器的工作原理、發展曆程和應用技巧等。MATLAB編譯器是將MATLAB M程序轉換為C/C++語言可調用元素(如動態鏈接庫、COM組件等)的利器。掌握MATLAB編譯器對在C/C++語言中調用MATLAB M程序等應用至關重要。
第五部分重點介紹瞭在C/C++程序中調用MATLAB程序的方法,內容包括生成可獨立運行的MATLAB程序、通過MATLAB引擎和動態鏈接庫調用MATLAB程序、通過COM組件調用MATLAB程序、通過.NET配件調用MATLAB程序、將MATLAB M程序轉換為C/C++程序等。其中,前四項內容有一個共性,即使用MATLAB編譯器將MATLAB程序編譯為C/C++語言可調用的元素,然後在C/C++程序中調用;而第五項內容則是將MATLAB M程序直接轉換為C/C++代碼。前者的特點是通用,但是均依賴MCR(Matlab Compiler Runtime)來執行;後者的優勢顯而易見,實現瞭MATLAB程序與C/C++程序的無縫連接,但用戶開發M程序時需要遵循諸多限製纔能實現從M程序到C語言程序的轉換。
第六部分重點介紹瞭與MATLAB關係密切的數學庫的使用方法,包括MATCOM矩陣庫和MATLAB C++數學庫。MATCOM矩陣庫是第三方庫,MATLAB C++數學庫是MATLAB 6.5提供的數學庫。兩者均不是當下流行的混閤程序設計技術,但齣於完整性考慮,書中保留瞭這部分內容。
對於第四部分和第五部分,在進行MATLAB與C/C++混閤程序設計時,需要特彆注意MCR的作用。基於MCR 架構的混閤程序設計具有以下特點:
MATLAB程序在MCR環境下與在MATLAB環境下的執行效率是相同的,因此通過編譯MATLAB程序不會提高MATLAB程序的效率。
MCR的啓動時間與MATLAB程序的啓動時間相同,在混閤程序設計中應考慮到這一點。
在C/C++程序中無論采用哪種調用方式調用MATLAB程序,其最終結果都是由MCR來執行MATLAB程序。
由於MATLAB編譯器隻生成MATLAB接口文件,而MCR接口一般會采用兼容設計,因此與MATLAB 6.5及其以前版本相比,用戶進行C/C++混閤程序設計的復雜度降低瞭,可繼承性提高瞭。
由於是采用MCR執行MATLAB程序,而不是將MATLAB程序編譯為C/C++程序,因此,在MATLAB函數和工具箱中可編譯的部分大大增加,從而為用戶進行混閤程序設計提供瞭便利條件。
MATLAB與C/C++混閤程序設計的實踐性和技巧性較強,因此書中堅持實例第一的寫作風格,提供瞭大量應用實例供讀者學習。這些應用實例均是在考慮實際應用的基礎上進行設計的,具有很強的實用價值。程序是程序員的通用語言,實例學習和訓練是快速掌握MATLAB與C/C++混閤程序設計方法的不二法寶。本書所有的源代碼均附在隨書光盤中。其中,第21章和第22章的開發和編譯環境均為Visual C++ 6.0和MATLAB 6.5.1;其他各章除特彆說明外,開發和編譯環境均為Visual C++ 2010和MATLAB 2013。由於編譯器和MATLAB軟件的安裝路徑和版本等可能存在差異,因此,用戶在學習書中實例時若不能直接運行,請以光盤中的實例代碼為參考,按照書中的步驟重新創建工程、設置路徑並編譯即可。
針對本書,北京航空航天大學齣版社和MATLAB 中文論壇特彆提供瞭讀者與作者在綫交流的平颱,筆者希望藉助此平颱實現與廣大讀者麵對麵的交流,解決大傢在閱讀此書過程中遇到的問題,分享彼此的學習經驗,從而達到共同進步目的。
在本書編寫過程中有幸得到北京航空航天大學齣版社老師和編輯們的支持和幫助,在此錶示衷心感謝。同時感謝網絡上提供MATLAB與C/C++混閤程序設計資料的網友們,在進行MATLAB與C/C++混閤程序設計的過程中,這些資料使筆者受益匪淺。由於作者業務水平和精力有限,書中難免存在不足之處,懇請廣大讀者和同行批評指正。
劉維
2014年10月3日
精通MATLAB與C/C++混閤程序設計(第4版) 內容簡介 《精通MATLAB與C/C++混閤程序設計(第4版)》是一本麵嚮廣大科研人員、工程師、高校師生以及對MATLAB與C/C++混閤編程有深入學習需求的讀者的專業書籍。本書旨在係統地介紹如何將MATLAB強大的數值計算、數據分析、可視化以及算法開發能力與C/C++高效的係統編程、底層控製和高性能計算能力有機結閤,以應對日益復雜的工程計算與軟件開發挑戰。 本書在前幾版的基礎上,結閤最新的MATLAB和C/C++版本特性以及行業發展趨勢,進行瞭全麵更新和深化。第四版不僅保留瞭原有的核心內容,更在實踐應用、性能優化、現代開發模式等方麵進行瞭大幅度的擴展和補充,力求為讀者提供一套全麵、實用且與時俱進的混閤編程解決方案。 本書核心內容概覽: 第一部分:MATLAB與C/C++混閤編程基礎 MATLAB 基礎迴顧與核心優勢剖析: 本部分將快速迴顧MATLAB的關鍵特性,重點闡述其在科學計算、數據可視化、算法原型設計等方麵的獨特優勢。通過實例展示MATLAB如何快速實現復雜的數學運算和工程分析,為後續的混閤編程打下堅實基礎。 C/C++ 基礎迴顧與性能優勢分析: 同樣,本部分也將對C/C++的核心語法、數據結構、麵嚮對象編程等進行梳理,並深入分析C/C++在內存管理、係統調用、嵌入式開發以及執行效率方麵的突齣錶現。理解C/C++的強大之處,是認識混閤編程必要性的前提。 混閤編程的必要性與應用場景: 詳細分析在哪些實際場景下,單純使用MATLAB或C/C++難以高效或靈活地解決問題。例如,當需要開發高性能的算法庫供MATLAB調用,或者需要將MATLAB的算法集成到獨立的C/C++應用程序中,甚至是在嵌入式係統中部署MATLAB生成的代碼時,混閤編程就顯得尤為重要。本書將通過豐富的案例,揭示混閤編程的廣泛應用前景,涵蓋科學計算、信號處理、圖像識彆、機器人控製、金融建模、生物信息學等多個領域。 MATLAB 與 C/C++ 交互機製概覽: 引入MATLAB與C/C++進行交互的幾種主要機製,包括MATLAB Compiler (MCC)、MATLAB Engine API、MEX 文件、MATCOM(已過時但作為曆史介紹)、以及通過文件I/O等方式進行數據交換。對這些機製的優劣勢進行初步的對比分析,幫助讀者建立宏觀認識。 第二部分:核心混閤編程技術詳解 MEX 文件開發: MEX 文件原理與創建流程: 深入講解MEX文件的原理,它是MATLAB調用C/C++函數的最常用方式。詳細介紹MEX文件的創建流程,包括編寫C/C++源文件、使用mex命令編譯、以及MEX文件的鏈接和加載過程。 MATLAB 與 C/C++ 數據類型轉換: 這是MEX編程的關鍵。本書將詳盡介紹MATLAB的各種數據類型(如double、int、logical、char、cell、struct、string等)與C/C++中的對應數據類型之間的轉換方法,包括使用`mxArray`接口函數(如`mxCreateDoubleMatrix`、`mxGetPr`、`mxGetString`、`mxSetField`等)進行矩陣、字符串、結構體、單元格數組等復雜數據的讀寫和創建。 MEX 函數編寫實踐: 通過大量的實例,演示如何編寫不同類型的MEX函數,包括處理標量、嚮量、矩陣運算,實現復雜的數值算法,調用外部C/C++庫,以及處理錯誤和異常。 MEX 文件性能優化: 探討提高MEX文件執行效率的策略,包括優化C/C++代碼、避免不必要的數據拷貝、使用高效的內存管理技術、以及選擇閤適的MATLAB數據結構。 高級MEX 應用: 介紹一些高級MEX文件的使用技巧,如創建MEX-functions、MEX-gateways、以及如何處理MATLAB的運行時錯誤。 MATLAB Compiler (MCC) 應用: MCC 工作原理與打包流程: 詳細講解MATLAB Compiler如何將MATLAB代碼“打包”成獨立的C/C++共享庫(DLL、.so)或可執行文件,使得沒有MATLAB環境的用戶也能運行MATLAB開發的應用程序。 將MATLAB 函數打包成 C/C++ 共享庫: 演示如何使用MCC將一個或多個MATLAB函數打包成C/C++動態鏈接庫,以及如何生成相應的C/C++頭文件和接口函數。 在 C/C++ 程序中調用打包後的 MATLAB 函數: 詳細指導讀者如何在C/C++應用程序中包含生成的頭文件,並調用打包後的MATLAB函數,進行數據傳遞和結果獲取。 MCC 在嵌入式係統開發中的應用: 探討MCC如何支持將MATLAB算法部署到嵌入式硬件平颱,並介紹相關的配置和優化技巧。 MATLAB Compiler SDK 的使用(可選): 介紹MATLAB Compiler SDK如何生成更多種類的部署目標,如Java、Python、.NET等,進一步擴展MATLAB代碼的復用性。 MATLAB Engine API 應用: Engine API 介紹與環境配置: 講解MATLAB Engine API是如何在C/C++應用程序中啓動並控製MATLAB引擎,允許直接在C/C++代碼中執行MATLAB命令和函數。詳細介紹Engine API的安裝和配置過程。 Engine API 核心函數: 深入介紹Engine API提供的核心函數,如`engOpen`、`engClose`、`engEvalString`、`engPutVariable`、`engGetVariable`、`mxArray`的創建與操作等,用於在C/C++程序和MATLAB引擎之間進行數據交換和命令執行。 在 C/C++ 程序中執行 MATLAB 命令: 通過實例演示如何使用Engine API在C/C++程序中執行MATLAB腳本、調用MATLAB函數,並獲取執行結果。 復雜數據類型在 Engine API 中的處理: 講解如何使用`mxArray`在C/C++與MATLAB引擎之間傳遞復雜的MATLAB數據結構,如矩陣、結構體、單元格數組等。 Engine API 的性能考量與應用場景: 分析Engine API的性能特點,並指齣其適用的場景,如需要頻繁與MATLAB進行交互、動態生成MATLAB代碼、或需要利用MATLAB的GUI功能等。 第三部分:混閤編程實踐與高級主題 混閤編程中的數據管理與交換策略: 高效數據傳輸技術: 深入探討不同數據量和類型下,MEX、MCC、Engine API等不同交互機製的數據傳輸效率,並提齣優化建議。 內存管理與共享: 講解如何在C/C++和MATLAB之間進行高效的內存管理,避免不必要的內存拷貝和泄漏。介紹共享內存、內存映射等高級技術在混閤編程中的應用。 文件 I/O 作為數據交換橋梁: 探討使用文件(如`.mat`文件、CSV、二進製文件等)作為MATLAB和C/C++之間數據交換的輔助手段,特彆是在處理大數據量或需要異步通信時。 性能優化與調試技巧: C/C++ 代碼的性能調優: 結閤混閤編程的特點,講解C/C++代碼編寫時的性能考量,如算法選擇、循環優化、並行計算(OpenMP, MPI)、SIMD指令的使用等。 MATLAB 代碼的性能優化: 迴顧MATLAB代碼的性能優化方法,如嚮量化、JIT編譯、預分配內存等,並探討這些優化對混閤編程的影響。 混閤程序的調試策略: 介紹MEX文件、Engine API應用程序以及MCC生成的C/C++代碼的常用調試方法和工具,包括使用IDE調試器、MATLAB的調試器、以及打印日誌等。 性能分析工具的應用: 介紹如何使用MATLAB的 Profiler、C/C++的性能分析工具(如gprof, VTune)來定位混閤程序的性能瓶頸。 現代軟件工程與混閤編程: 版本控製與代碼管理: 強調在混閤編程項目中,如何有效利用Git等版本控製工具管理MATLAB和C/C++代碼。 構建係統與自動化編譯: 介紹如何使用CMake、Make等構建係統來自動化MEX文件的編譯、C/C++應用程序的構建,以及MCC項目的打包過程。 單元測試與集成測試: 探討如何為MATLAB代碼、C/C++代碼以及混閤調用的模塊編寫有效的測試用例,確保程序的健壯性和可靠性。 持續集成/持續部署 (CI/CD) 在混閤編程中的應用: 介紹如何將混閤編程項目集成到CI/CD流程中,實現代碼的自動構建、測試和部署。 典型應用案例深度解析: 高性能數值計算庫開發: 以實際項目為例,演示如何將核心計算算法用C/C++實現,並打包成MATLAB可以高效調用的MEX函數或共享庫,顯著提升計算速度。 MATLAB 算法集成到桌麵應用程序: 展示如何使用MCC將MATLAB開發的GUI界麵或算法模塊打包成獨立的C/C++應用程序,無需安裝MATLAB即可運行。 嵌入式係統中的信號處理與控製算法部署: 講解如何利用MATLAB進行算法設計和原型驗證,然後通過MCC或MATLAB Coder(與MCC類似但側重點不同)將其部署到嵌入式硬件平颱。 實時數據采集與分析係統: 結閤Engine API或MEX文件,構建一個能夠實時采集數據(可能通過C/C++硬件接口),並在MATLAB環境中進行實時分析和可視化的混閤係統。 與其他語言的互操作性(可選): 簡要介紹如何通過MEX文件或Engine API,間接實現MATLAB與Python、Java等其他語言的混閤調用。 本書特點: 內容全麵且深入: 覆蓋瞭MATLAB與C/C++混閤編程的各種主流技術,並對核心概念和實現細節進行瞭深入剖析。 實踐導嚮: 大量結閤實際工程問題,提供瞭豐富實用的代碼示例和操作流程,幫助讀者快速上手。 更新迭代: 本版充分考慮瞭MATLAB和C/C++新版本的特性和發展趨勢,確保內容的時效性和前瞻性。 結構清晰,易於理解: 本書按照由淺入深、循序漸進的原則組織內容,即使是初學者也能逐步掌握混閤編程的精髓。 麵嚮讀者廣泛: 無論是希望提升MATLAB應用性能的研究人員,還是需要集成MATLAB算法的軟件工程師,亦或是希望係統學習混閤編程的學生,本書都能提供有價值的指導。 通過閱讀《精通MATLAB與C/C++混閤程序設計(第4版)》,讀者將能夠深刻理解MATLAB和C/C++各自的優勢,掌握將兩者有效結閤的各種技術手段,從而在復雜的工程計算和軟件開發項目中,設計齣更高效、更靈活、更具競爭力的解決方案。本書將是您在數值計算、算法開發、嵌入式係統設計等領域攻堅剋難的得力助手。