Технология использования MATLAB-программ в средах визуального программирования C/C++

10 Pages·0.302 MB·Russian

by  Палухин П.Н., Поддубный В.В.

УДК 681.142.2
П.Н. Палухин, В.В. Поддубный
ТЕХНОЛОГИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ MATLAB-ПРОГРАММ
В СРЕДАХ ВИЗУАЛЬНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ C/C++
Рассматривается технология использования программ, написанных на языке математического пакета MATLAB, в средах
визуального программирования C/C++ с целью создания Windows-приложений, требующих привлечения богатого арсена-
ла средств, алгоритмов, процедур и функций современной математики и обладающих развитым интерфейсом, на примере
сред программирования MATLAB 6.5 и Borland C++Builder 6.0. В основу технологии положено использование встроенного
в систему MATLAB компилятора m-кода в C-код MATLAB Compiler, предназначенного для создания исполнимых моду-
лей программ, написанных на языке MATLAB. Обсуждаются особенности написания m-кода программ на языке MATLAB,
пригодного для компиляции в C-код, и применения C-кода, создаваемого компилятором MATLAB Compiler, в визуальных
средах программирования Microsoft Visual C/C++ и Borland C++Builder. Изложение иллюстрируется примером.
ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Borland C++Builder и др.). Поэтому создаваемое сис-
темой MATLAB автономное приложение не отвечает
В практике программирования во многих случаях
требованиям профессионального программирования.
возникает необходимость создать программное обес-
Было бы заманчиво объединить широкую гамму
печение, решающее сложную математическую задачу,
возможностей, предоставляемых современными визу-
требующую использования математических проце-
альными средствами создания приложений на языке
дур, не входящих в набор стандартных средств систем
C/C++, с мощными математическими возможностями
программирования. При решении этой задачи можно
системы MATLAB. Использование эффективного ма-
пойти разными путями. Либо воспользоваться средст-
тематического кода MATLAB совместно с возможно-
вами, предоставляемыми каким-нибудь математиче-
стями визуальных сред разработки приложений по-
ским пакетом, например пакетом MATLAB, и решить
зволило бы программисту-математику решить прак-
математическую задачу, не создавая никакого специ-
тически любую прикладную задачу. Пользователи
ального программного обеспечения, написав код про-
системы MATLAB получили бы инструменты созда-
граммы на языке пакета (MATLAB решает задачи в
ния полноценного Windows-интерфейса, построения
режиме интерпретации m-кода программы). Либо са-
баз данных и т.д. Пользователи визуальных сред про-
мому писать весь программный код, включая соответ-
граммирования Microsoft Visual C/C++ и Borland
ствующие математические процедуры, на каком-либо
C++Builder стали бы обладателями математической
языке программирования (например, на C/C++). Либо
мощи системы MATLAB, которая профессионально
искать (скажем, в Интернете) соответствующую ма-
создавалась в течение многих лет (и продолжает раз-
тематическую библиотеку, совместимую с данной
виваться) трудом большого коллектива математиков и
средой программирования (при этом часто неизвест-
программистов фирмы MathWorks, Inc.
но, корректно ли она работает, каковы правила ее ис-
Данная статья посвящена рассмотрению некото-
пользования и обладает ли она достаточными воз-
рых узловых вопросов технологии переноса про-
можностями).
грамм, написанных на языке MATLAB, в визуальную
Для случая, когда основным требованием является
среду программирования C/C++.
создание автономного приложения с помощью стан-
Предлагаемую технологию довольно трудно из-
дартных средств разработки на языке C/C++, для ре-
ложить в общем виде, поэтому практическую состав-
шения исходной задачи имеется еще один путь – вос-
ляющую технологии целесообразно проиллюстриро-
пользоваться дополнительными возможностями, пре-
вать на небольшом конструктивном примере. Пример
доставляемыми вышеупомянутым пакетом MATLAB.
был выбран с тем расчетом, чтобы как можно проще
Этот пакет имеет в своем составе мощную математи-
пояснить технологические этапы использования кода,
ческую библиотеку MATLAB C/C++ Math Library [1,
создаваемого системой MATLAB, не исключая и гра-
2]. Вдобавок, MATLAB является довольно распро-
фические возможности этой системы, поскольку ви-
страненным средством среди специалистов, и алго-
зуальное представление результата работы програм-
ритм, который необходимо реализовать в программ-
мы является зачастую неотъемлемой частью созда-
ном комплексе, часто можно построить с помощью
ваемого программного комплекса. Необходимую ин-
имеющихся в системе MATLAB m-файлов или напи-
сать такие файлы самому. В этом случае потребуется формацию об особенностях трансляции графических
перевести m-код на язык Си при помощи специальной функций MATLAB можно получить из [4]. При этом
утилиты пакета – MATLAB Compiler [3]. Полученный мы всюду делаем упор на минимальное изменение
C-код, содержащий вызов C-функций математической кода, генерируемого компилятором MATLAB.
библиотеки MATLAB, затем используется при созда- Рассмотрим последовательно все основные техно-
нии исполнимого файла решения задачи. Однако для логические этапы создания Windows-приложения в
создания полноценного C/C++ приложения этого не- визуальной среде программирования C/C++ (конкрет-
достаточно. Система MATLAB создает лишь авто- но, в среде Borland C++Builder 6.0) с использованием
номное консольное приложение, пригодное для ис- математического обеспечения, предоставляемого сре-
пользования, когда приложению не требуется хорошо дой программирования математического пакета
организованного ввода и вывода данных. Система MATLAB 6.5, на примере решения задачи исследова-
MATLAB не имеет развитых средств создания поль- ния эволюции во времени численности популяций в
зовательского интерфейса, какими обладают системы системе «хищник–жертва», описываемой модифици-
визуального программирования (Microsoft Visual C++, рованной моделью Лотки – Вольтерры [5]. Система
модифицированных нелинейных дифференциальных следования, начальное значение численности популя-
уравнений Лотки–Вольтерры, учитывающих наличие ции жертв y (t ) = y0(1) и хищников y (t ) = y0(2), до-
1 0 2 0
внутривидовой борьбы в популяции жертв, связанной пустимую относительную погрешность RelTol чис-
с нехваткой пищи при превышении численностью ленного интегрирования системы дифференциальных
этой популяции некоторого критического уровня, уравнений). Вид возможной формы интерфейса этого
имеет вид приложения приведен на рис.1.
На рис.2 и 3 приведены графические результаты
dy (t)
 d1t =(a−by2(t)−ry1(t))y1(t), работы приложения при значениях параметров, за-
 (1) данных на форме рис.1.
dy (t)
 2 =(−c+dy (t))y (t),
 dt 1 2
где t∈[t ,t ] – текущее время, изменяющееся на ука-
0 1
занном интервале решения задачи; y (t), y (t) – теку-
1 2
щие численности популяций жертв и хищников соот-
ветственно; y(t ) = y – заданное начальное условие
0 0
для вектора-столбца y(t)=y1(t)=[y (t),y (t)]T
y2(t) 1 2
численности популяций; T – знак транспонирования.
Параметры a, b, c, d, r предполагаются известными
постоянными. Смысл их следующий. Параметр a вы-
ражает скорость естественного прироста популяции
жертв в единицу времени в расчете на одну жертву в
отсутствие хищников. Параметр c – скорость естест- Рис. 2. Интегральные кривые решения
венной гибели (от голода) популяции хищников в
единицу времени в расчете на одного хищника в от-
сутствие жертв. Коэффициенты b и d выражают соот-
ветственно влияние на скорости роста – гибели каж-
дой популяции наличия другой популяции. Коэффи-
циент r выражает дополнительное уменьшение скоро-
сти роста популяции жертв из-за размножения самих
жертв. Величина, обратная этому коэффициенту, вы-
ражает количество жертв, которое может прокормить
природа в отсутствие хищников.

Рис. 3. Фазовая траектория
Для численного интегрирования системы диффе-
ренциальных уравнений (1) использован метод Рунге–
Кутты 4 – 5 порядка точности. На графиках видно,
как численности взаимодействующих популяций
жертв и хищников приближаются со временем к рав-
новесным значениям y* =c/d и y* =(a−rc d) b
1 2
(к точке покоя на фазовой траектории).
ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ИСПОЛНИМОГО ПРИ-
ЛОЖЕНИЯ
Рассмотрим основные этапы создания исполнимо-
го модуля рассматриваемого приложения, иллюстри-
руя тем самым технологию создания приложений, ис-
пользующих богатые математические возможности

пакета MATLAB и средства визуальной среды про-
Рис. 1. Общий вид формы примера приложения
граммирования C/C++.
Программная реализация рассматриваемого при- Этап 1. Создание исходного m-кода
мера приложения должна давать пользователю воз-
Наличие данного этапа может показаться необяза-
можность в интерактивном режиме менять все исход-
тельным, так как исходный код можно писать сразу
ные данные задачи (параметры a, b, c, d, r, начальный
на языке Си, используя функции математической
t =T0 и финальный t =Tfin моменты времени ис-
0 1 библиотеки MATLAB [1, 2]. Стоит сразу оговорить,
что данный путь не оптимален по нескольким причи- Эта программа с помощью функции ode45 (метода
нам. Во-первых, создавая приложение таким образом, Рунге – Кутты 4 – 5 порядка) численно решает моди-
пользователь теряет возможность контекстной отлад- фицированную систему уравнений Лотки–Вольтерры
ки кода. Во-вторых, построенный код может полу- (1), которая описывает поведение популяций жертв
читься неустойчивым в плане исполнения. В-третьих, (Preys) и хищников (Predators). Затем с помощью
даже если создается чисто Си-приложение, содержа- функции plot строятся графики решения этих уравне-
щее небольшие участки сложных математических вы- ний в зависимости от времени (интегральные кривые
числений, изначально проще их предварительно на- решения) и фазовая траектория решения (зависимость
писать в MATLAB в виде функций, затем перевести численности популяции хищников от численности
полученный m-код в С-код с помощью компилятора популяции жертв). На графики наносятся координат-
MATLAB, полученный код впоследствии легко под- ные сетки командой grid, выводятся заголовки с по-
ключить в виде модуля к приложению на C\C++. мощью функции title, а также метки кривых при по-
Итак, создадим m-файл функционального типа: мощи функции legend. Оси графиков подписываются
с помощью функций xlabel и ylabel.
% Файл "lve.m" После создания исходного m-кода можно перейти
function main, к следующему этапу.
% Программа решения системы
% дифференциальных уравнений Этап 2. Перевод m-кода в C-код
% Лотки–Вольтерры с помощью компилятора MATLAB Compiler
global a b c d r; % Глобальные переменные
Технология перевода программ из среды
tic, % Фиксация времени начала решения
MATLAB в C-код с созданием исполняемого модуля
a = 1; b = 0.01; c = 1; d = 0.02; r = 0.005;
консольного приложения полностью изложена в [3].
% Задание параметров системы
При этом m-код программы должен быть определен-
T0 = 0; Tfin = 100; % Границы интервала
ным образом подготовлен (модифицирован).
y0 = [20; 30]; % Начальная численность
В первую очередь необходимо преобразовать m-
% популяций
файлы сценарного типа (script-файлы) в m-файлы
yp = [c/d; (a–r*c/d)/b]; % Точка покоя
функционального типа (function-файлы). Как это де-
opt = odeset('RelTol', 1e–6); % Установка
лается, описано в [3].
% относительной точности решения
Далее следует преобразовать циклические опера-
tt = []; yy = []; % Объявление массивов
ции с массивами из формы, представленной слева на
[tt, yy] = ode45(@lv, [T0, Tfin], y0, opt);
рис.4, в форму, представленную справа:
tt = tt'; yy = yy'; % Интегрирование системы

% дифференциальных уравнений Лотки–
for i = 1 : N, for i = 1 : N,
% Вольтерры методом Рунге–Кутты 4–5
M = [M, <значение>]; M(i) = <значение>;
% порядка точности с заданной точностью
end end
time = toc; disp(time) % Фиксация времени
% конца решения задачи и вывод времени счета Рис.4. Преобразование операций с массивами
% на экран
figure(1) % Открытие 1-го окна графиков Такую же операцию необходимо применить и к
plot(tt, yy(1, :), 'g', tt, yy(2, :), 'r'), grid on, многомерным массивам. Размер кода во втором слу-
% Изображение графиков и координатной сетки чае, возможно, немного и увеличится, но скорость
title('Solution of Modified Lotka–Volterra Equation'), выполнения цикла может увеличиться во много раз.
% Заголовок графика Для проверки эффективности такой замены был
legend('Preys', 'Predators'), % Легенды графиков сконструирован простейший тест. Было создано два
xlabel('Time'), ylabel('Populations'), файла-функции, содержащие вышеописанные циклы, в
% Обозначение осей координат теле которых находилась процедура вывода прогресса
figure(2) % Открытие 2-го окна графиков счета, и на выходе строился график зависимости вре-
plot(yy(1,:), yy(2,:), 'b', yp(1), yp(2), 'r.'), grid on, мени выполнения программ от числа итераций цикла.
% Изображение графиков и координатной сетки Оказалось, что цикл второго («правого») типа гораздо
title('Phase Trajectory'), более эффективен, чем цикл первого («левого»). Рост
% Заголовок графика времени выполнения операций первого цикла имеет
legend('Phase Trajectory', 'Rest Point'), экспоненциальный характер в силу постоянного дина-
% Легенды графиков мического увеличения памяти, отводимой под массив,
xlabel('Preys'), ylabel('Predators') тогда как время работы второго цикла растет линейно
% Обозначение осей координат и очень медленно (например, для числа отсчетов 10000
% ---------------------------------------------------------- имеем соотношение по времени тип1/тип2 как
function z = lv(t, y) 0,02сек/6,72сек в тестируемой конфигурации).
% Вектор-функция, выражающая правую часть На следующем шаге рекомендуется удалить все
% системы дифференциальных уравнений комментарии MATLAB на русском языке, так как не-
% Лотки–Вольтерры которые из них вызывают ошибку компиляции. Это
global a b c d r; % Глобальные переменные проблема русификации системы MATLAB, которая
z=[(a–b*y(2)–r*y(1))*y(1); (–c+d*y(1))*y(2)]; проявляется в некоторых версиях системы при неко-
% Возвращаемый функцией вектор-столбец торых версиях операционной системы. Например,
русская буква "я", встречающаяся как в комментари- проекта, а также добавления к проекту соответст-
ях, так и в функциях текстового вывода, может вос- вующих математических библиотек может оказаться,
приниматься в качестве символа конца строки. «Разо- что проект не компонуется. Это означает, что не все
рванная» строка, в свою очередь, вызывает ошибку необходимые библиотеки были подключены к проек-
компиляции. Данную проблему можно разрешить уже ту. Чтобы узнать, в каком из библиотечных файлов
после перевода m-кода на язык Си (см. этап 4). хранится «сбойная» функция, надо ознакомиться с
Рекомендуется также, во избежание ошибок, при- содержимым файлов с расширением ".def", которые
вести к единому регистру имена файлов, названия размещены в папке "MATLAB$\extern\include\".
функций и наименования функций-параметров.
Не следует использовать переменную с именем "j" Добавление C-кода в проект
в алгоритмах, которые переводятся на C++, так как у
На данном этапе постараемся произвести мини-
класса MathWorks есть метод MathWorks::j(), и это
мальную модификацию созданного MATLAB Compiler
вызывает ошибку компиляции.
C-кода, который состоит из трех файлов: "lve.c",
Еще одно важное замечание. Команды title, xlabel,
"lve.h", "lve_mainhg.c". Поскольку файл "lve_mainhg.c"
ylabel не являются библиотечными функциями
отвечает за создание автономного консольного прило-
MATLAB и хранятся лишь в виде m-файлов. Автома-
жения, то он более не потребуется, однако содержа-
тически компилятор MATLAB не транслирует функ-
щийся в нем код, за исключением функции main, нуж-
ции и процедуры, записанные во вспомогательные
но перенести в создаваемый проект, для удобства в
файлы, поэтому их тексты придется самим добавлять
".h"-файл, дополнительно подключаемый к ".cpp"-
в файл "lve.m". Найти их можно в каталоге
файлу, реализующему методы формы (см. несколько
"$MATLAB\toolbox\matlab\graph2d", либо вызвать на
ниже).
экран, просто набрав команду
Теперь подключим к проекту файл "lve.c", произ-
type title.m
ведя следующую небольшую модификацию кода.
в командном окне MATLAB.
После проделанных манипуляций m-файл "lve.m" // Файл "lve.c
готов к компиляции. Перед компиляцией командой #include "mhelper.h" /* Содержит (пока) лишь про-
mbuild –setup тотип функции WinFlush() */
из командной строки устанавливается требуемый < .. >
компилятор с языка C/C++. Для компиляции исполь- static void Mlve(void)
зовался следующий синтаксис команды { < .. >
mcc –m –B sgl lve.m mlfDisp(mclVv(time, "time"));
из командной строки. WinFlush(); /* Вручную добавленный вызов функ-
Получающийся в результате исполняемый модуль ции */
располагается в той же директории, где находится mclPrintAns(&ans, mlfNFigure(0, _mxarray0_,
m-файл программы lve.m, и имеет имя lve.exe, т.е. имя NULL));
m-файла, использованного для компиляции. < .. > }
< .. >
Этап 3. Присоединение C-кода,
Хорошо видно, что изменения кода минимальны.
созданного компилятором MATLAB, к проекту
Был лишь подключен файл, содержащий объявление
в визуальной среде программирования
функции Winflush, использовавшейся после mlfDisp
В качестве визуальной среды программирования для одновременного вывода времени работы про-
был выбран Borland C++ Builder версии 6.0, который граммы на форму, полученное от Print Handler.
помимо удобного пользовательского интерфейса пре- Print Handler – это пользовательский обработчик
доставляет мощный компилятор кода на C/C++. печати. Для используемого примера его можно скон-
Создадим проект в этой среде, содержащий форму, струировать таким образом, чтобы данный обработ-
изображеную на рис.1, на которую поместим компо- чик было удобно использовать при выводе матриц и
нент StringGrid для ввода и редактирования исходных других составных объектов печати. Для полноценной
данных, кнопки пуска, остановки и выхода, а также же работы ему потребуется функция, которая осуще-
чек-бокс вывода графики и строку статуса, выводя- ствляла бы вывод накопленного текста на форму и
щую процент выполнения задачи. Наша задача состо- вызывалась следом за выводящей библиотечной
ит в том, чтобы написать обработчики событий, свя- функцией (например, mlfPrintMatix, mlfDisp, mlfPrintf
занных с этими органами управления, и использовать и т.д.). Способы создания, регистрация и использова-
полученный на предыдущем этапе C-код. Но прежде ние пользовательского обработчика печати описыва-
чем присоединять к проекту этот C-код, необходимо ются в [3], дополнительную информацию по исполь-
настроить данную среду на совместное использование зованию можно найти в [2].
с библиотеками MATLAB C Math Library и MATLAB
C Graphics Library. Исчерпывающую информацию по Доработка исходного C-кода
этому вопросу можно получить из файла
Понятно, что функция main, содержащая, в свою
MATLAB$\extern\examples\cppmath\borland\readme.txt.
очередь, функцию mclMainhg, удалена (проект дол-
Следует заметить, что после указания путей к
жен содержать либо main для консольных приложе-
стандартным математическим библиотекам и под-
ний, либо WinMain для Windows-приложений). Но
ключаемым дополнительно c/cpp-файлам в опциях
вспомогательная функция компилятора MATLAB
mclMainhg несла большую смысловую нагрузку, ко- MATLAB mclMainhg. Следует заметить, что замена
торую как раз можно компенсировать вызовом функ- функции mclMainhg – рекомендуемое, но не обяза-
ций компилятора MATLAB из модуля "Unit1.h" (см. тельное действие. Вызов
ниже). Функция mclMainhg делает следующее: mclMainhg(&_argc, &argv, mlxLve, 0, &_main_info);
- Инициализирует рабочие таблицы: таблицу гло- произойдет вполне успешно, однако при повторном
бальных переменных, глобальную и локальные таб- нажатии на кнопку приложение выдаст ошибку. Это
лицы файлов-функций, рабочие переменные модулей связано с тем, что работа данной функции рассчитана
и специализированные библиотеки. Также удаляет из на одиночный запуск из консольного приложения.
памяти рабочие переменные и завершает работу спе- При ее использовании также теряется удобная воз-
циализированных библиотек. Данное действие ком- можность отладки подключенного кода, что довольно
пенсируется "ручным" вызовом функции неприятно. Поэтому настоятельно рекомендуем ис-
mclLibInitCommon(&_main_info); пользовать описанный нами способ запуска C-кода.
при нажатии кнопки "Run", где &_main_info – адрес Необходимо сделать еще одно важное замечание.
структуры, содержащей все вышеперечисленные таб- В случае, если нет надобности использовать в прило-
лицы. жении графику MATLAB, часть кода, касающуюся
- Выполняет инициализацию графической библио- инициализации графической библиотеки, можно уда-
теки MATLAB. Данное действие можно осуществить лить из проекта.
самостоятельно, единожды вызвав библиотечную
Этап 4. Внесение в приложение новых
функцию mlfHGInitialize, что и было сделано при соз-
функциональных возможностей
дании формы приложения.
- Вызывает через feval-интерфейс рабочий код Название данного этапа довольно неопределенно,
(через функцию mlxLve). Аналогичное действие мож- так как включает большое число технических прие-
но выполнить при нажатии "Run" только через стан- мов, касающихся взаимодействия между рабочими
дартный интерфейс (функцию mlfLve). средами. В данный этап можно поместить непосред-
- Завершает работу графической библиотеки ственную разработку интерфейса пользователя, кото-
MATLAB. Соответствующее действие с помощью рый уже естественно привязан к назначению созда-
функции mlfHGTerminate было осуществлено в файле ваемого приложения. В контексте данного этапа мож-
"Unit1.cpp" в момент закрытия приложения. но произвести расширение и переработку рассматри-
ваемого примера, чтобы «пробросить мостик» между
// Файл "cpphelper.c"
созданием иллюстративного примера и разработкой
< .. > /* Содержимое "Lve_mainhg.c", за исключе-
реального приложения.
нием функции main. */
Увеличим временной интервал вычислений в ис-
//----- Print Handler -----
ходном m-коде, а внутри функции lv предусмотрим

вывод на экран процента от общего времени вычис-
// Файл "Unit1.cpp"
лений в алгоритме. Расширив код подобным образом
#include "cpphelper.h" /* Дополнительно подклю-
и проделав заново все вышеперечисленные техноло-
чаемый файл (см. выше) */
гические этапы, получим следующее: пока будут про-
TForm1 *Form1;
изводиться вычисления, форма примера как бы «за-
__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner):
снет». Она не станет отвечать ни на какие внешние
TForm(Owner)
или внутренние воздействия и лишь по истечении
{
времени работы цикла опять «проснется», когда будет
const char *argv = *_argv;
выведено, что вычисления произведены на 100%.
mlfHGInitialize(&_argc, &argv); /* Инициализиру-
Причина данного явления состоит в том, что ма-
ем MATLAB C Graphics Library */
тематические вычисления осуществляются в контек-
}
сте главного потока VCL, а не независимо, как это
void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject
должно быть. Данное явление не критично, если вы-
*Sender)
числения не занимают много времени, в противном
{
случае необходимо знать прогресс вычислений и,
mlfSetPrintHandler(WinPrint); /* Регистрируем об-
возможно, досрочно их завершить.
работчик печати */
Обращаем особое внимание, что при создании
mclLibInitCommon(&_main_info ); /* Осуществ-
рассматриваемого примера использовалась следую-
ляем инициализацию таблиц компилятора */
щая комбинация средств: MATLAB Compiler v3.0 и
mlfLve(); //Имя исходной m-функции
Borland C++Builder v6.0 (содержит компилятор
}
Borland C++ v5.6).
void __fastcall TForm1::FormClose(TObject *Sender,
Добавим на форму еще одну кнопку "Stop" и па-
TCloseAction &Action)
нель статуса (Status Bar), на которую будем отобра-
{
жать процент прогресса и общее время выполнения
mlfHGTerminate(); /* Прерываем использование
вычислений. По нажатию на кнопку "Run" будет соз-
графической библиотеки */
даваться новый поток класса TNewThread, реализую-
}
щий в отдельном модуле абстрактный класс TThread,
Здесь по нажатию кнопки на форме производится внутри которого уже будут производиться заданные
запуск транслированного кода с помощью функций, вычисления. При использовании данного стандартно-
полностью подменяющих функцию компилятора го приема программирования возникает две особен-
ности, связанные с использованием функций матема- - вывод текста (скорее всего «накопленного» обра-
тической библиотеки MATLAB: ботчиком печати) на рабочую форму;
1. Инициализация графической библиотеки - досрочное прекращение вычислений.
MATLAB и глобальной таблицы функций должна Это лишь неполный перечень действий, который
осуществляться в модуле главной формы, в против- можно взять за основу и осуществлять вызов соответ-
ном случае возникает ошибка. К сожалению, при ис- ствующих этим действиям C-функций прямо из
пользовании различных версий MATLAB Compiler и m-кода, первоначально не думая об их реализации,
Borland С++Builder возникают существенные разли- которая уже непосредственно привязана к разработке
чия при инициализации и использовании графических пользовательской части, хотя здесь возможно исполь-
функций внутри пользовательского потока и потока зование каких-либо шаблонов, облегчающих создание
VCL. В данной статье описывается такое использова- приложения для неискушенных пользователей данной
ние совместно лишь с последними версиями выше- технологии.
упомянутых программных продуктов. Чтобы не быть голословными, рассмотрим кон-
2. Вызов методов созданного потока нельзя осу- кретный пример создания m-файла на основе описан-
ществлять напрямую из C-модуля, так как объекты ной выше технологии. Рассмотрим ключевые фраг-
можно использовать лишь в C++. Однако вызов мето- менты кода, описывающего использованные техниче-
дов потока можно произвести с помощью дополни- ские приемы.
тельных C-функций, которые объявляются с модифи-
катором extern "C" в модуле, описывающем методы % Файл "func.m"
потока, где также и реализуются. Данная дополни- function main
тельная функция вызывает метод потока, который, в global a b c d r mMyExit Tfin oldpers,
свою очередь, вызывает с помощью метода tic;
Synchronize еще один метод, содержащий защищае- % Блок инициализации
мый код (пример см. ниже в файле "Unit2.cpp"). mShowGraph = AssignValue(0);
3. Настоятельно рекомендуется использовать кон- % Отображать ли график
цепцию «неизменяемого» m-кода при построении mMyExit = 0; oldpers = 0;
приложения. a = 1; b = 0.01; c = 1; d = 0.02; r = 0.005;
T0 = 0; Tfin = 100;
«НЕИЗМЕНЯЕМЫЙ» m-КОД
y0 = [20; 30]; yp = [c/d; (a–r*c/d)/b];
«Неизменяемым» можно назвать такой m-код, ко- opt = odeset('RelTol', 1e-6); tt = []; yy = [];
торый после трансляции на язык C/C++ нет необхо- % Блок вычислений
димости редактировать и дополнять вызовом каких- % (сюда же можно отнести функцию lv)
либо C-функций. Определенный, стандартизованный [tt, yy] = ode45(@lv, [T0, Tfin], y0, opt);
набор C-функций просто напрямую вызывается из m- tt = tt'; yy = yy';
кода. Использование данной концепции, на самом де- time = toc;
ле, должно превалировать при создании автономных % Блок вывода
приложений в визуальной среде программирования. if (mShowGraph)
Это связано с тем, что исходный m-код зачастую % Если 1 – выводим график, 0 – пропускаем вывод
подвергается небольшой переработке на третьем тех- figure(1)
нологическом этапе (где производится доработка C- < .. >
кода, полученного трансляцией из m-кода). И после end
повторного прохождения этапов технологии необхо- fprintf(1, '%3.1f seconds', time);
димо заново осуществить доработку C-кода, что из SyncVCL(0); % Осуществить вывод на форму
довольно интересного процесса в первый момент пре- % в то же место
вращается в неприятную, рутинную и, возможно, для % Блок описания внешних C-функций
кого-то нетривиальную операцию. function CloseThread;
Разработчики MATLAB предусмотрели возмож- % Завершить выполнение потока
ность сопряжения m-кода с C/C++-кодом. Начиная с %#external
версии 2.1, компилятор MATLAB поддерживает вы- %--------------------------------------------------------------
зов произвольной C/C++-функции из m-кода. Доста- function SyncVCL(MethodNumber);
точно просто предоставить m-файлу функцию- % Синхронизировать с VCL вывод текста
заглушку, определяющую, каким образом данный код % Здесь MethodNumber – определенный способ
будет работать в m-коде, а затем реализовать тело %вывода текста
функции в C/C++. %#external
С другой стороны, связь между вычислительным %--------------------------------------------------------------
кодом и кодом, реализующим пользовательскую function OutVar = AssignValue(VarNumber);
часть приложения, совершенно необходима, причем % Присвоить конкретное значение
она выражается, как правило, определенным, в какой- % Здесь VarNumber – определенный способ
то мере стандартным набором функциональных осо- % присвоения значения
бенностей: % Здесь OutNumber – выходное значение,
- присвоение значения конкретной C-переменной, % приведенное к библиотечному типу mxArray
конкретного поля объекта и т.п. переменной, исполь- %#external
зуемой функциями библиотеки MATLAB; %--------------------------------------------------------------
function z = lv(t, y) ("func_mainhg.c") все-таки будет создан. Однако не
global a b c d r mMyExit Tfin oldpers, будет создана директория "bin" с содержимым, но это
mMyExit = AssignValue(1); тоже не помеха – ее можно взять у любого другого
% Осуществить ли досрочное завершение приложения либо создать вручную, скопировав в нее
% вычислений файлы "FigureMenuBar.fig" и "FigureToolBar.fig", на-
if (mMyExit) ходящиеся в директории "$(MATLAB)\extern\include".
CloseThread; % Здесь работа потока прерывается К тому же данная директория нужна, если вызывают-
end; ся графические функции MATLAB, но даже и без нее
pers = floor((t / Tfin) * 100); программа будет нормально работать, просто не будет
% Вычисляем процент прогресса вычислений функционировать панель и меню графического окна
if (pers > oldpers) MATLAB, а также библиотека будет выдавать преду-
fprintf(1, '%4.0f%% Complete', pers); преждение об отсутствии файлов ".fig".
SyncVCL(0); % Осуществить вывод на форму К форме разбираемого примера добавим также
oldpers = pers; CheckBox, регулирующий вывод графика после вычис-
end лений. Учитывая вышеописанные изменения, рассмот-
z = [(a – b*y(2) – r*y(1))*y(1); (–c + d*y(1))*y(2)]; рим соответствующие изменения в проектных файлах.
%-------------------------------------------------------------- Файл "func.c" просто подключаем к проекту, ни-
function hh = title(string, varargin) коим образом не дополняя и не изменяя его. Затем,
если вдруг понадобится внести какие-либо изменения
Приведенный код мы рекомендуем в качестве
в m-коде, достаточно лишь заново произвести транс-
шаблона, используемого для создания «быстро пере-
ляцию на язык Си и заменить старый "func.c" на его
водимых» m-файлов.
обновленную версию.
Все m-файлы будущего приложения следует объе-
динить в один единственный, который можно назвать, // Файл "Unit1.cpp"
скажем, "func.m", а основную часть, из которой вызы- #include "Unit1.h" /* Содержит описание класса
ваются вспомогательные функции, назвать, например, TForm1 и внешнее объявление Form1 */
main. #include "Unit2.h" /* Содержит описание класса
Затем выделить в программе «блок инициализа- TNewThread и внешнее объявление MyThread – объ-
ции», в котором необходимо присвоить первоначаль- екта, инкапсулирующего поток WinAPI */
ные значения используемым переменным. Перемен- #include "libmatlb.h" /* Содержит прототипы
ные, значения которых должен ввести пользователь, функций инициализации графики */
инициализировать с помощью функции AssignValue(), /* Глобальные переменные, управляющие выво-
«заранее знающей», каким образом осуществить оз- дом графика и досрочным завершением */
наченное присвоение. double MyCheck = 1, MyExit; /* дополнительного
В «блоке вычислений» следует произвести требуе- процесса */
мые манипуляции, где, используя функцию SyncVCL(), //----------------------------------------------------------------
можно выводить на форму текущие значения перемен- __fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner):
ных, либо при помощи функции CloseThread досрочно TForm(Owner)
прекратить процесс вычислений. {
Завершать программу должен «блок вывода» ре- const char *argv = *_argv;
зультатов проделанных вычислений в графической /* При создании формы инициализируем графиче-
или текстовой форме, где можно протестировать спе- скую библиотеку MATLAB */
циальные переменные на предмет необходимости вы- mlfHGInitialize(&_argc, &argv);
вода конкретных составляющих. }
И уже в самом конце нужно разместить описание void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject
внешних C-функций, внутри которых должна быть *Sender)
обязательно указана директива {
%#external, MyExit = 0;
предписывающая компилятору использовать внеш- Button1->Enabled = false; CheckBox1->Enabled =
нюю реализующую версию соответствующей m- false;
функции. // Создаем новый поток и сразу запускаем его
Далее применим те же технологические приемы MyThread = new TNewThread(false);
для создания демонстрационного приложения на базе }
«неизменяемого» m-кода. void __fastcall TForm1::Button2Click(TObject
Уже на втором технологическом этапе, т.е. на эта- *Sender)
пе трансляции, возникают некоторые отличия, свя- {
занные с присутствием внешних нереализованных C- MyExit = 1;
функций. Во-первых, компилятор создаст дополни- }
тельный заголовочный файл (будет называться void __fastcall TForm1::CheckBox1Click(TObject
"func_external.h"), где разместит прототипы реали- *Sender)
зующих версий внешних m-функций, а интерфейсная {
часть будет содержаться в главном файле ("func.c"). MyCheck = CheckBox1->Checked;
Во-вторых, компилятор не сможет создать исполняе- }
мый файл ввиду отсутствия реализующей части, что, void __fastcall TForm1::FormClose(TObject *Sender,
в общем-то, и не нужно, так как «файл-оболочка» TCloseAction &Action)
{ /* Во время завершения работы приложения вы- }
гружаем графическую библиотеку */ void Mfunc_SyncVCL(mxArray * MethodNumber)
mlfHGTerminate(); { /* "Тело" реализующей версии m-функции
} SyncVCL() */
MyThread –> Update-
// Файл "Unit2.cpp" Method(*mxGetPr(MethodNumber));
#include "cpph.h" /* Включает содержимое }
"func_mainhg.h" до функции main и реализацию extern mxArray * Mfunc_AssignValue(int nargout_,
функции PrintHandler */ mxArray * VarNumber)
#include "func_external.h" /* Включает прототипы {/* "Тело" реализующей версии m-функции
специальных C-функций */ AssignValue */
extern double MyCheck, MyExit; mxArray *ReturnNumber = NULL;
//-------------------------------------------------------------- int VarNum;
__fastcall TNewThread::TnewThread (bool VarNum = (int)*mxGetPr(VarNumber); /* Получаем
CreateSuspended): TThread(CreateSuspended) номер способа присваивания */
{ /* Устанавливаем, чтобы поток автоматически switch (VarNum)
уничтожился после завершения */ {
FreeOnTerminate = true; case 0: ReturnNumber = mlfScalar(MyCheck); break;
} case 1: ReturnNumber = mlfScalar(MyExit);
void __fastcall TNewThread::Execute() /* "Тело" по- } /* Возвращаем значение типа mxArray, "понят-
тока */ ного" функциям MATLAB C Math Lib */
{ return ReturnNumber;
mclLibInitCommon(&_main_info ); /* Инициализи- }
руем таблицы компилятора */
mlfSetPrintHandler(WinPrint); /* Регистрируем об- Организацию ввода и редактирования исходных
работчик печати */ данных можно реализовать следующим образом. Доба-
mlfFunc(); /* Вызываем основную функцию, нахо- вим массив Mass чисел с плавающей запятой, в кото-
дящуюся в "func.c" */ рый будем записывать введенные пользователем пара-
/* Ожидаем, пока пользователь не закроет все гра- метры динамической системы. Затем этот массив пере-
фические окна, это является необходимым действием, дадим с помощью функции-заглушки AssignValue в
а иначе завершающийся поток их закроет сам. Функ- аналогичный массив в m-коде. Фунция AssignValue
ция pause не помогает в данной ситуации */ реализуется таким образом, чтобы по селектору значе-
mlfHGWaitForFiguresToDie(); ние переменной определенного типа данных Си преоб-
/* Разрешаем использование ранее отключенных разовывалось в соответствующее значение переменной
кнопки "Run" и CheckBox */ MATLAB, но было бы уже представлено типом, кото-
UpdateMethod(1); рый понимает математическая библиотека MATLAB. В
} MATLAB Math Library имеются необходимые для это-
void __fastcall TNewThread::UpdateMethod(int го функции: mlfScalar – для скалярных значений,
mode) mlfDoubleMatrix – для матриц, значениями которых яв-
{ /* Вызов методов потока, содержащих код, за- ляются числа с плавающей запятой.
щищаемый от конфликтов доступа к компонентам Завершение работы приложения можно произве-
VCL (thread-safe code) */ сти кнопкой "Exit".
switch (mode) Соответствующие обработчики, созданные вручную,
{ представлены в приводимом ниже файле Unit1.cpp.
case 0: Synchronize(UpdateForm); break;
case 1: Synchronize(EnableButton); // Файл "Unit1.cpp"
} #include <vcl.h>
} #pragma hdrstop
void __fastcall TNewThread::UpdateForm() #include "Unit1.h"
{ /* Выводим содержимое буфера Print Handler в #include "Unit2.h"
строку статуса */ #include "libmatlb.h"
Form1–>StatusBar1->SimpleText = OutputBuffer; //---------------------------------------------------------------
FreeOutput(); #pragma package(smart_init)
} #pragma resource "*.dfm"
void __fastcall TNewThread::EnableButton() double MyCheck = 1, MyExit, Mass[10];
{ // Разрешаем использование кнопки и CheckBox TNewThread *MyThread;
Form1 –> Button1 –> Enabled = true; TForm1 *Form1;
Form1 –> CheckBox1 –> Enabled = true; //---------------------------------------------------------------
} __fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)
void Mfunc_CloseThread(void) : TForm(Owner)
{ /* "Тело" реализующей версии m-функции {
CloseThread */ const char *argv = *_argv;
MyThread –> UpdateMethod(1); mlfHGInitialize(&_argc,&argv);
EndThread(0); }
//---------------------------------------------------------------
void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject // Файл "Unit2.cpp"
*Sender) < .. >
{ extern double MyCheck, MyExit, Mass[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) < .. >
Mass[i] = StringGrid1->Cells[1][i].ToDouble(); extern mxArray * Mfunc_AssignValue(int nargout_,
//Переписываем значения параметров системы в mxArray * VarNumber)
//в дополнительный массив {
MyExit = 0; mxArray *ReturnNumber = NULL;
Button1->Enabled = false; int VarNum;
CheckBox1->Enabled = false; VarNum = (int)*mxGetPr(VarNumber);
MyThread = new TNewThread(false); switch (VarNum)
} {
//--------------------------------------------------------------- case 0: ReturnNumber = mlfDoubleMatrix(1, 10,
void __fastcall TForm1::Button2Click(TObject Mass, NULL); break;
*Sender) case 1: ReturnNumber = mlfScalar(MyCheck);
{ break;
MyExit = 1; case 2: ReturnNumber = mlfScalar(MyExit);
} }
//--------------------------------------------------------------- return ReturnNumber;
void __fastcall TForm1::CheckBox1Click(TObject }
*Sender)
{ MATLAB-программа принимает следующий вид:
MyCheck = CheckBox1->Checked;
} % Файл "func.m"
//--------------------------------------------------------------- function main
void __fastcall TForm1::FormClose(TObject *Sender, global a b c d r mMyExit Tfin oldpers,
TCloseAction &Action) tic
{ mMyExit = 0;
mlfHGTerminate(); oldpers = 0;
} mass = AssignValue(0);
//--------------------------------------------------------------- a = mass(1); b = mass(2); c = mass(3); d = mass(4);
void __fastcall TForm1::FormCreate(TObject r = mass(5); T0 = mass(6); Tfin = mass(7);
*Sender) y0(1) = mass(8); y0(2) = mass(9);
{ reltol = mass(10);
StringGrid1–>Cells[0][0]="a"; mShowGraph = AssignValue(1);
StringGrid1–>Cells[0][1]="b"; yp = [c/d; (a–r*c/d)/b];
StringGrid1–>Cells[0][2]="c"; opt = odeset('RelTol', reltol);
StringGrid1–>Cells[0][3]="d"; tt = []; yy = [];
StringGrid1–>Cells[0][4]="r"; [tt, yy] = ode45(@lv, [T0, Tfin], y0, opt);
StringGrid1–>Cells[0][5]="T0"; tt = tt'; yy = yy';
StringGrid1–>Cells[0][6]="Tfin"; time = toc;
StringGrid1–>Cells[0][7]="y0(1)"; if (mShowGraph),
StringGrid1–>Cells[0][8]="y0(2)"; figure(1),
StringGrid1–>Cells[0][9]="RelTol"; plot(tt, yy(1, :), 'g', tt, yy(2, :), 'r'), grid on,
StringGrid1–>Cells[1][0]=1; title('Solution of Modified Lotka-Volterra Equation'),
StringGrid1–>Cells[1][1]=0.01; legend('Preys','Predators'),
StringGrid1–>Cells[1][2]=1; xlabel('Time'), ylabel('Populations'),
StringGrid1–>Cells[1][3]=0.02; figure(2),
StringGrid1–>Cells[1][4]=0.005; plot(yy(1,:), yy(2,:), 'b', yp(1), yp(2), 'r.'), grid on,
StringGrid1–>Cells[1][5]=0; title('Phase Trajectory'),
StringGrid1–>Cells[1][6]=100; legend('Phase Trajectory', 'Rest Point'),
StringGrid1–>Cells[1][7]=20; xlabel('Preys'), ylabel('Predators')
StringGrid1–>Cells[1][8]=30; end,
StringGrid1–>Cells[1][9]=1E-6; fprintf(1, '%3.1f seconds', time);
} SyncVCL(0);
//--------------------------------------------------------------- function CloseThread;
void __fastcall TForm1::Button3Click(TObject %#external
*Sender) %--------------------------------------------------------------
{ function SyncVCL(MethodNumber);
Close(); %#external
} %--------------------------------------------------------------
function OutVar = AssignValue(VarNumber);
Небольшое дополнение в файле Unit2.cpp пред-
%#external
ставлено ниже.
%-------------------------------------------------------------- hh = h;
function z = lv(t, y) end
global a b c d r mMyExit Tfin oldpers, %--------------------------------------------------------------
mMyExit = AssignValue(2); function hh = ylabel(string, varargin)
if (mMyExit) if nargin > 1 & (nargin–1)/2–fix((nargin–1)/2),
CloseThread; error('Incorrect number of input arguments')
end; end
pers = floor((t / Tfin) * 100); ax = gca;
if (pers > oldpers) if isappdata(ax, 'MWBYPASS_ylabel')
fprintf(1, '%4.0f%% Complete', pers); h = mwbypass(ax, 'MWBYPASS_ylabel',…
SyncVCL(0); string, varargin{:});
oldpers = pers; else
end h = get(ax, 'ylabel');
z = [(a–b*y(2)–r*y(1))*y(1); (–c+d*y(1))*y(2)]; set(h, 'FontAngle', get(ax, 'FontAngle'), ...
%-------------------------------------------------------------- 'FontName', get(ax, 'FontName'), ...
function hh = title(string, varargin) 'FontSize', get(ax, 'FontSize'), ...
if nargin > 1 & (nargin–1)/2–fix((nargin–1)/2), 'FontWeight', get(ax, 'FontWeight'), ...
error('Incorrect number of input arguments') 'string', string, varargin{:});
end end
ax = gca; if nargout > 0
if isappdata(ax,'MWBYPASS_title'), hh = h;
h = mwbypass(ax,'MWBYPASS_title',… end
string,varargin{:}); %--------------------------------------------------------------
else function hh = mwbypass(h,id, varargin)
h = get(ax,'title'); fcn = getappdata(h, id);
set(h, 'FontAngle', get(ax, 'FontAngle'), ... if nargout > 0
'FontName', get(ax, 'FontName'), ... if ~iscell(fcn)
'FontSize', get(ax, 'FontSize'), ... hh = feval(fcn, varargin{:});
'FontWeight', get(ax, 'FontWeight'), ... else
'Rotation', 0, ... hh = feval(fcn{:}, varargin{:});
'string', string, varargin{:}); end
end else
if nargout > 0 if ~iscell(fcn)
hh = h; feval(fcn, varargin{:});
end else
%-------------------------------------------------------------- feval(fcn{:}, varargin{:});
function hh = xlabel(string, varargin) end
if nargin > 1 & (nargin–1)/2–fix((nargin–1)/2), end
error('Incorrect number of input arguments')
end В заключение заметим, что несмотря на очевидные
ax = gca; удобства предлагаемой в данной работе технологии
if isappdata(ax,'MWBYPASS_xlabel') использования MATLAB-программ в средах визуаль-
h = mwbypass(ax,'MWBYPASS_xlabel',… ного программирования C/C++, в ней имеется по
string,varargin{:}); крайней мере один отрицательный момент: вызов ин-
else терфейсной функции (например, присваивания) будет
h = get(ax,'xlabel'); осуществляться гораздо медленнее, чем та же опера-
set(h, 'FontAngle', get(ax, 'FontAngle'), ... ция в Си. Так, из-за постоянного внешнего тестирова-
'FontName', get(ax, 'FontName'), ... ния переменной MyExit цикл работает в полтора-два
'FontSize', get(ax, 'FontSize'), ... раза дольше в используемой конфигурации системы.
'FontWeight', get(ax, 'FontWeight'), ... При возникновении подобной ситуации можно на
'string', string,varargin{:}); этапе выпуска финального релиза программного про-
end дукта осуществить замену соответствующей опера-
if nargout > 0 ции, если это возможно, на C-эквивалент.
ЛИТЕРАТУРА
1. MATLAB C Math Library User's Guide. Revised for Version 2.2 (Release 12.1). 2001. 432 с.
2. MATLAB C++ Math Library Reference. Revised for Version 2.2 (Release 12.1). 2001. 429 с.
3. MATLAB Compiler User's Guide. Sixth printing. Revised for Version 3.0 (Release 13). 2002. 274 с.
4. MATLAB C/C++ Graphics Library User's Guide. Fifth printing. Revised for Version 2.1 (Release 12). 2000. 52 с.
5. Эрроусмит Д., Плейс К. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Качественная теория с приложениями. М.: Мир, 1986. 244 с.
Статья представлена факультетом информатики Томского государственного университета, поступила в научную редакцию 30 апреля 2003 г.