MATLAB 之 MAT 文件

一、MAT 文件

• MAT 文件是 MATLAB 数据存储的默认文件格式，以双精度二进制格式保存数据。
• MAT 文件为其他程序设计语言（如 C、C++、FORTRAN 等）使用 MATLAB 数据提供了一种共享机制。

1. MAT 文件

• MAT 文件由 128 字节的 MAT 文件头和尾随其后的数据单元组成。
• 文件头包括 MATLAB 版本、文件被创建的时间等信息。
• 数据单元分为标志和数据两个部分，标志占 8 字节，包含数据类型、数据大小等信息。如果标志中的数据字节数小于 4，那么，MATLAB 使用压缩格式存储单元中的数据。
• MATLAB 的 save 命令可以将 MATLAB 系统内部数据保存为 MAT 文件，而 load 命令可以将磁盘上的 MAT 文件中的数据读入到 MATLAB 系统中。
• 此外，为了有效地管理 MAT 文件，以及在 MATLAB 外部读取和创建 MAT 文件，MATLAB 提供了一一个子程序库，用户可以在 C、C++、FORTRAN 程序中直接调用这些子程序来创建和读取 MAT 文件。
• MATLAB 提供的用于操作 MAT 文件的 API 函数封装于两个标准库文件中：libmat.lib 和 libmx.lib。前者用于对 MAT 文件的操作，后者用于对 MAT 文件中矩阵的操作。

2. C 语言 MAT 函数

• C 语言 MAT 函数用于在 C 程序中对 MAT 文件进行操作。C 语言 MAT 函数及功能详细如下表所示。

MAT 函数	函数功能
matOpen	打开 MAT 文件
matClose	关闭 MAT 文件
matGetDir	获取 MAT 文件中的矩阵列表
matGetV ariable	从 MAT 文件中读取一个矩阵
matPutV ariable	向 MAT 文件写入一个矩阵
matGetNextV ariable	从 MAT 文件中读取下一个矩阵
matDeleteV ariable	从 MAT 文件中删除-个矩阵
matPutVariableAsGlobal	向 MAT 文件写入一个矩阵，当后续从文件读取该矩阵时，放入全局工作区
matGetV ariableInfo	从 MAT 文件中读取数据单元的标志信息
matGetNextV ariableInfo	从 MAT 文件中读取下一个数据单元的标志信息

3. MAT 文件的基本操作

• 下面，我们以 C 语言为例，说明 MAT文件的操作办法。
• 在 C 程序中，通过指向 MAT 文件的指针对文件进行操作，定义指向 MAT 文件的指针的格式如下：

MATFile *mfp;

• MAT 文件操作函数是在头文件 mat.h 中定义的，因此，C 程序开始部分要使用如下命令：

#include "mat.h"

• MAT 文件操作分成以下 3 种。

3.1 打开 MAT 文件

• 打开文件使用 matOpen 函数，其调用格式如下：

mfp=matopen(filename,mode)

• 其中，mfp 是已经声明为 MAT 文件类型的指针，filename 为要操作的 MAT 文件，mode 用来说明对文件的使用方式，可取以下值。
• （1） r：以只读方式打开文件。
• （2） u：以可读也可写方式打开文件。
• （3） w：以只能写的方式打开文件。如果该文件中有内容，则删除原有内容。
• （4） wz：打开文件用于写入压缩数据。
• 如果函数打开成功，则返回函数句柄，否则返回 NULL。

3.2 读写 MAT 文件

• （1） 向 MAT 文件中写入一个矩阵。函数调用格式如下：

matPutVariable(mfp,name, mp)
matPutArrayAsGlobal(mfp,mp)

• 其中，mfp 是已经定义的 MAT 文件指针，name 是写入文件的 mxArray 类型的数据在文件中的命名，mp 是指向工作区 mxArray 类型变量的指针。
• 如果文件中存在与 name 同名的 mxArray ，那么将覆盖原来的值。
• 如果不存在同名的 mxArray，则将此 mxArray 添加到文件末尾。
• 函数执行成功，返回 0，否则返回一个非零值。第二个函数调用后，使得用 load 命令装入这个 MAT 文件时，该矩阵对应的变量成为全局变量。
• （2） 获取 MAT 文件中的变量列表。函数调用格式如下：

matGetDir(mfp,num)

• 其中，mfp 是已经定义的 MAT 文件指针，num 是指向记录文件中 mxArray 个数的系统变量的指针。
• 函数执行成功，mfp 返回一个字符指针数组，其中的每个元素指向 MAT 文件中的一个矩阵。
• 执行失败，mfp 返回一个空指针，num 为 -1。如果 num=0，则表示 MAT 文件中没有矩阵。
• （3） 从 MAT 文件中读取一个矩阵。函数调用格式如下：

matGetVariable(mfp,name)

• 其中，mfp 是已经定义的 MAT 文件指针。如果函数执行成功，在内存中创建-一个命名为 name 的 mxArray 类型的对象，并将读取的数据赋给该对象。
• matGetDir、matGetVariable 函数通过 mxCalloc 函数分配内存，在程序结束时，必须使用 mxFree 函数释放内存。
• （4） 从 MAT 文件中删除一个矩阵。函数调用格式如下：

matDeleteVariable(mfp,name)

• 其中，mfp 是已经定义的 MAT 文件指针，name 为要删除的矩阵。如果函数执行成功，将返回 0，否则返回一个非零值。

3.3 关闭 MAT 文件

• 关闭 MAT 文件使用 matClose 函数，其调用格式如下：

matClose(mfp)

• 其中，mfp 是已经定义的 MAT 文件指针。
• 如果函数执行成功，返回 0，否则返回 EOF。

3.4 mx 函数

• 在 C 程序中，使用 MATLAB 数据时还用到 MATLAB 提供的接口函数中的 mx 函数，以完成对 mxArray 对象的操作。
• MATLAB 的矩阵运算是以 mxArray 结构体（C++ 中是 mwArray 类）为核心构建的，mxArray 结构体的定义在 MATLAB 的 extern\include\matrix.h 文件中。下表所示为常用 C 语言 mx 函数及功能，其他 mx 函数的用法参见 MATLAB 帮助文件。

C 语言 mx 函数	功能
char *mxArrayToString(const mxArray *array_ ptr);	将 mxArray 结构体转变为字符串
mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m,int n,mxComplexity ComplexFlag);	创建二维双精度类型 mxArray 矩阵
mxArray *mxCreateString(const char *str)	创建字符串
void mxDestroyArray(mxArray *array_ ptr);	释放由 mxCreate 类函数分配的内存
int mxGetM(const mxArray *array_ ptr);	获取矩阵的行数
int mxGetN(const mxArray *array_ ptr);	获取矩阵的列数
void mxSetM(mxArray *array_ ptr,int m);	设置矩阵的行数
void mxSetN(mxArray *array_ ptr,int m);	设置矩阵的列数
double *mxGetPr(const mxArray *array_ ptr);	获取矩阵实数部分的数据指针
double *mxGetPi(const mxArray *array_ ptr);	获取矩阵虚数部分的数据指针
void mxSetPr(mxArray *array_ ptr,double *pr);	设置矩阵实数部分的数据指针
void mxSetPi(mxArray *array_ ptr,double *pr);	设置矩阵虚数部分的数据指针
void *mxCalloc(size_ t n,size_ t size);	在内存中分配 n 个大小为 size 字节的单元，并初始化为 0