Ubuntu下Fortran与MATLAB如何协同工作 - 问答

Ubuntu下Fortran与MATLAB协同工作

一、常用协同方式概览

MATLAB 调用 Fortran：将计算密集的例程编译为 MEX，在 MATLAB 中像内置函数一样调用；或在 Fortran 中调用 MATLAB 引擎 启动会话、传参与执行命令。
Fortran 调用 MATLAB：在 Fortran 程序里启动 MATLAB 引擎，把数据传入、执行 MATLAB 函数、取回结果。
数据文件交换：用 .mat（v7.3 为 HDF5）或文本/二进制在两者之间传递数据。
官方文档将接口归纳为：Fortran MEX API、MATLAB Fortran 引擎 API、Fortran 矩阵 API、以及读写 MAT 文件四类，覆盖上述全部场景。

二、MATLAB 调用 Fortran

方案A MEX（推荐）：编写 Fortran 子程序，遵循 MEX 入口 mexFunction，用 mexCallMATLAB/mexEvalString 与 MATLAB 交互，用 mexGet/mexPut** 在 MEX 与 MATLAB 工作区之间传递数据；在 MATLAB 中先执行 mex -setup FORTRAN 配置编译器，再用 mex your_fortran_file.f90 生成 MEX 并调用。
方案B 引擎（适合需要完整 MATLAB 环境的任务）：在 Fortran 中调用 MATLAB 引擎 API 启动会话、传递数组、执行命令、取回结果；适合调用大量 MATLAB 内置函数或绘图。
方案C 动态库（Windows 为主）：将 Fortran 编译为 DLL，在 MATLAB 用 loadlibrary/calllib/unloadlibrary 调用；Linux 下对应为 .so，可用 loadlibrary 调用共享库（需符合平台 ABI 与编译器约定）。
要点：MEX 性能最佳、集成度最高；引擎最灵活；DLL/SO 适合已有库复用。

三、Fortran 调用 MATLAB

使用 MATLAB Fortran 引擎 API：在 Fortran 程序中启动 MATLAB 引擎会话，通过 API 将 Fortran 数组传入 MATLAB、调用 MATLAB 函数（如数值计算、优化、绘图）、再把结果取回；适合以 Fortran 为主程序、借助 MATLAB 做计算与可视化的场景。
要点：需正确初始化引擎、管理会话与内存，并按 API 规范进行数据拷贝与类型匹配。

四、数据文件交换与格式选择

.mat v7.3+（HDF5）：用 HDF5 库在 Fortran 直接读写；Ubuntu 可安装 libhdf5-dev 获取头文件与库。
旧版 .mat（v7 及以下）：可用 MATIO（C 库）配合 Fortran 的 C 接口读写，或让 MATLAB 导出为文本/CSV/HDF5 再读取。
文本/CSV：最简单通用，Fortran 直接按列/行读取；注意分隔符、表头、缺失值与数值格式。
二进制：高效但需双方约定字节序、数据类型、维度顺序与存储布局（Fortran 列主序 vs MATLAB 列主序一致），便于零拷贝或最小拷贝传递。
选型建议：跨平台与可移植优先 HDF5；快速调试用 文本/CSV；已有生态或历史数据用 MATIO。

五、Ubuntu快速上手示例

示例A 用 MEX 在 MATLAB 中调用 Fortran（Ubuntu）

安装工具链与依赖：sudo apt-get install gfortran libhdf5-dev；确保 MATLAB 已安装并配置好编译器（在 MATLAB：mex -setup FORTRAN）。

编写 Fortran 源文件（示例 addvec.f90）：

subroutine mexFunction(nlhs, plhs, nrhs, prhs)
  use, intrinsic :: iso_c_binding, only: c_ptr, c_loc
  implicit none
  integer, intent(in) :: nlhs, nrhs
  type(c_ptr), intent(in) :: prhs(*)
  type(c_ptr), intent(out) :: plhs(*)
  ! 简化示例：C = A + B（均为列向量）
  real(8), pointer :: A(:), B(:), C(:)
  integer :: m, n

  ! 获取输入 mxArray 并转为 Fortran 指针（实际项目应使用 mxGetPr/mxGetDimensions 等）
  ! 这里省略错误检查与维度校验，生产代码需完善
  call mxCopyPtrToReal8(mxGetPr(prhs(1)), A, size(A))
  call mxCopyPtrToReal8(mxGetPr(prhs(2)), B, size(B))

  m = size(A); n = size(B)
  if (m /= n) call mexErrMsgIdAndTxt('MATLAB:addvec:dimMismatch','A and B must match')
  allocate(C(m))
  C = A + B

  ! 创建输出 mxArray 并拷贝数据（示意）
  plhs(1) = mxCreateDoubleMatrix(m, 1, 0)
  call mxCopyReal8ToPtr(C, mxGetPr(plhs(1)), m)
  deallocate(C)
end subroutine mexFunction

在 MATLAB 编译与调用：

mex -v addvec.f90
A = randn(5,1); B = randn(5,1);
C = addvec(A,B);

示例B 用 HDF5 在 Fortran 读取 MATLAB v7.3 的 .mat

安装 HDF5：sudo apt-get install libhdf5-dev。

读取变量（示例 read_matlab_hdf5.f90）：

program read_mat
  use hdf5
  implicit none
  integer(hid_t) :: file_id, dset_id, memspace, filespace
  integer(hsize_t) :: dims(2) = [100, 100]
  real, allocatable :: data(:, :)
  integer :: err

  call h5open_f(err)
  call h5fopen_f('data.mat', H5F_ACC_RDONLY_F, file_id, err)
  call h5dopen_f(file_id, '/your_variable_name', dset_id, err)  ! 替换为实际变量名
  call h5dread_f(dset_id, H5T_NATIVE_DOUBLE, data, dims, err)
  call h5dclose_f(dset_id, err)
  call h5fclose_f(file_id, err)
  call h5close_f(err)

  print *, 'data(1,1)=', data(1,1)
end program read_mat

编译与运行：

gfortran -o read_mat read_matlab_hdf5.f90 -lhdf5 -I/usr/include/hdf5/fortran
./read_mat

提示：MEX 示例省略了 mxArray 的创建、类型/维度检查与错误处理的完整流程，生产代码应结合 Fortran MEX API 文档完善；HDF5 示例需确保 .mat 文件变量名、维度与实际一致。

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