Ubuntu中Fortran与MATLAB如何协同工作 - 问答

Ubuntu中Fortran与MATLAB协同工作的实现方法

在Ubuntu系统中，Fortran与MATLAB可通过共享库调用（MATLAB调用Fortran编译的.so文件）或MEX文件（Fortran通过MEX接口集成到MATLAB）两种主要方式协同工作，以下是具体步骤及注意事项：

一、准备工作：安装必要工具

安装Fortran编译器：Ubuntu默认仓库中的gfortran是开源且兼容性好的选择，通过以下命令安装：
```
sudo apt update && sudo apt install gfortran
```
安装MATLAB：从MathWorks官网下载并安装Ubuntu版本的MATLAB，安装完成后确保matlab命令可在终端中运行。
配置Fortran编译器环境：若使用gfortran，无需额外配置；若使用Intel Fortran Compiler，需通过mex -setup fortran命令让MATLAB识别编译器。

二、方法1：MATLAB调用Fortran编译的共享库（.so文件）

1. 编写Fortran代码

创建Fortran源文件（如my_fortran_lib.f90），编写需要调用的子程序。注意：

子程序需使用intent属性明确参数方向（in/out/inout）；
避免使用Fortran特有的屏幕输入输出（如print *），如需调试可使用open()写入文件。
示例代码：

subroutine add_numbers(a, b, c)
    real(8), intent(in) :: a, b  ! 输入参数
    real(8), intent(out) :: c    ! 输出参数
    c = a + b  ! 简单加法运算
end subroutine add_numbers

2. 编译Fortran代码为共享库

使用gfortran编译为.so文件（Linux下的动态链接库），需添加-shared（生成共享库）、-fPIC（位置无关代码，动态链接必需）选项：

gfortran -shared -fPIC -o libmy_fortran_lib.so my_fortran_lib.f90

编译成功后，会在当前目录生成libmy_fortran_lib.so文件。

3. 在MATLAB中调用共享库

MATLAB通过calllib函数调用共享库中的子程序，步骤如下：

加载共享库：使用loadlibrary加载.so文件及对应的头文件（需手动创建头文件）；
准备输入参数：MATLAB中的变量需转换为Fortran兼容的类型（如real(8)对应MATLAB的double）；
调用子程序：使用calllib指定库名、子程序名及参数；
卸载共享库：使用unloadlibrary释放资源。

示例MATLAB代码：

% 定义Fortran子程序的头文件内容（需保存为my_fortran_lib.h）
% void add_numbers(double *a, double *b, double *c);

% 加载共享库及头文件
if libisloaded('my_fortran_lib')
    unloadlibrary('my_fortran_lib');
end
loadlibrary('libmy_fortran_lib.so', 'my_fortran_lib.h');

% 准备输入参数
a = 3.5; b = 2.5;
c = 0;  % 输出变量需初始化

% 调用Fortran子程序
calllib('my_fortran_lib', 'add_numbers', a, b, c);

% 显示结果
disp(['计算结果: ', num2str(c)]);

% 卸载共享库
unloadlibrary('my_fortran_lib');

4. 注意事项

头文件创建：若Fortran子程序未自动生成头文件，需手动创建（如my_fortran_lib.h），内容为子程序的C风格声明（void add_numbers(double *a, double *b, double *c);）；
数据类型匹配：Fortran的real(8)对应MATLAB的double，integer对应MATLAB的int32/int64；
路径配置：将共享库所在目录添加到LD_LIBRARY_PATH环境变量（如export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/path/to/library），避免MATLAB找不到库文件。

三、方法2：通过MEX文件集成Fortran代码

MEX文件（MATLAB Executable）是MATLAB可调用的动态链接库，允许Fortran代码直接在MATLAB中运行。适用于需要复用现有Fortran代码或与MATLAB深度交互的场景。

1. 编写Fortran MEX接口代码

MEX文件需包含mexFunction入口点（类似C的main函数），并通过MATLAB API实现数据传递。示例代码（my_fortran_mex.f90）：

subroutine mexFunction(nlhs, plhs, nrhs, prhs)
    use mex
    implicit none
    integer, intent(in) :: nlhs, nrhs  ! 输出/输入参数数量
    type(mxArray), intent(out) :: plhs(nlhs)  ! 输出参数
    type(mxArray), intent(in) :: prhs(nrhs)   ! 输入参数
    
    real(8) :: a, b, c  ! Fortran变量
    mwPointer :: mx_a, mx_b, mx_c  ! mxArray指针
    
    ! 检查输入输出数量
    if (nrhs /= 2) then
        call mexErrMsgIdAndTxt('MATLAB:fortran_mex:invalidInput', '需2个输入参数');
    elseif (nlhs > 1) then
        call mexErrMsgIdAndTxt('MATLAB:fortran_mex:invalidOutput', '最多1个输出参数');
    end if
    
    ! 从输入参数获取数据（mxArray转Fortran变量）
    mx_a = prhs(1); a = mxGetScalar(mx_a);
    mx_b = prhs(2); b = mxGetScalar(mx_b);
    
    ! 调用Fortran计算子程序
    call add_numbers(a, b, c)
    
    ! 创建输出mxArray并赋值
    plhs(1) = mxCreateDoubleScalar(c)
end subroutine mexFunction

subroutine add_numbers(a, b, c)
    real(8), intent(in) :: a, b
    real(8), intent(out) :: c
    c = a + b
end subroutine add_numbers

2. 编译MEX文件

在MATLAB中编译Fortran MEX文件，需确保mex能识别Fortran编译器（通过mex -setup fortran配置）：

mex -v my_fortran_mex.f90

编译成功后，会在当前目录生成my_fortran_mex.mexa64文件（Ubuntu下的MEX文件扩展名）。

3. 在MATLAB中调用MEX文件

MEX文件可直接像MATLAB内置函数一样调用：

a = 3.5; b = 2.5;
result = my_fortran_mex(a, b);  % 调用Fortran MEX文件
disp(['计算结果: ', num2str(result)]);

4. 注意事项

MEX接口规范：mexFunction的参数顺序固定（nlhs、plhs、nrhs、prhs），需严格遵循；
内存管理：mxArray是MATLAB的内存对象，需通过mxCreate*创建、mxDestroyArray释放，避免内存泄漏；
数据转换：使用mxGetScalar（获取标量）、mxGetPr（获取数组指针）等API函数实现Fortran与MATLAB数据转换。

四、常见问题解决

共享库加载失败：检查LD_LIBRARY_PATH是否包含共享库路径，或使用addpath将路径添加到MATLAB搜索路径；
数据类型不匹配：确保Fortran中的real(8)与MATLAB的double对应，数组维度需一致；
MEX编译错误：确认mex -setup fortran已正确配置Fortran编译器，且Fortran代码符合MEX接口规范。

通过上述方法，可在Ubuntu系统中实现Fortran与MATLAB的高效协同，结合Fortran的高性能计算与MATLAB的便捷数据处理、可视化功能，满足科学计算与工程应用的需求。

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