《電子技術(shù)應(yīng)用》
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MATLAB到高性能C的代码转换系统设计与实现
信息技术与网络安全 6期
余泽霖1，2，徐 云1，2
(1.中国科学技术大学 计算机科学与技术学院，安徽 合肥230026； 2.安徽省高性能计算重点实验室，安徽 合肥230026)
摘要： MATLAB被广泛应用于算法设计及验证，但由于平台限制及性能因素影响，实际工作中通常使用C语言及高性能库来重写和优化代码。人工转换MATLAB到C工作繁琐，而大部分已有的自动转换方法又难以解决MATLAB的高性能矢量运算和库函数与C的对接问题。为此，设计了一个MATLAB到高性能C的自动转换系统，通过将MATLAB代码转换为中间表示，进一步转换为C代码。同时，将MATLAB的高性能矢量运算和库函数对接到高性能C函数库Math Kernel Library(MKL)上。在相同MATLAB代码上的实验结果表明，该系统转换生成的C代码性能与人工编写的C代码相当，优于已有的转换方法生成的C代码。
中圖分類號(hào)： TP311.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2022.06.007
引用格式： 余澤霖，徐云. MATLAB到高性能C的代碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2022，41(6)：36-42，56.
Design and implementation of a MATLAB to high-performance C code conversion system
Yu Zelin1，2，Xu Yun1，2
(1.School of Computer Science and Technology，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China； 2.Key Laboratory of High Performance Computing of Anhui Province，Hefei 230026，China)
Abstract： MATLAB is widely used in algorithm design and verification, but due to the limitation of platform and poor performance, C language and high-performance libraries are usually used to rewrite and optimize the code in practical work. Manual conversion from MATLAB to C is cumbersome, and most existing automatic conversion methods are not able to bridge the high-performance vector operations and library functions of MATLAB with C. Therefore, an automatic system converting MATLAB to high-performance C code is designed. By converting MATLAB code into intermediate representation, it is further converted into C code. At the same time, the high-performance vector operations and library functions of MATLAB are bridged with the functions of the high-performance C Math Kernel Library(MKL). The experimental results on the same MATLAB codes show that the performance of the C code converted by this system is equivalent to that of the manually written C code, and is better than that converted by the existing conversion methods.
Key words : MATLAB；code conversion；high-performance code；MKL function library

0 引言

MATLAB由于其強(qiáng)大的功能、友好的開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)單易用的編程語(yǔ)言形式而被開(kāi)發(fā)人員廣泛使用，許多企業(yè)和科研單位都存在著大量的MATLAB遺留代碼(Legacy Code)。但由于MATLAB程序運(yùn)行依賴于MATLAB軟件系統(tǒng)，部分工作平臺(tái)無(wú)法滿足要求，并且它的運(yùn)行速度相較于C等更底層的語(yǔ)言慢，無(wú)法滿足高性能計(jì)算的需求，通常需要將這些遺留MATLAB代碼轉(zhuǎn)換為C代碼。而人工轉(zhuǎn)換代碼需要付出高昂的人力成本，因此，理想的解決方案是將MATLAB代碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換成C代碼。

程序轉(zhuǎn)換可以節(jié)省軟件開(kāi)發(fā)的成本，并在軟件的移植、重用、更新和編譯等方面有著重要的應(yīng)用[1]，因此在國(guó)內(nèi)外有大量的對(duì)編程語(yǔ)言轉(zhuǎn)換的研究。本文對(duì)已有的編程語(yǔ)言轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了借鑒和改進(jìn)，提出了一個(gè)MATLAB到C的自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法，著重解決了以下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是引入了一種基于抽象語(yǔ)法樹(shù)(Abstract Syntax Tree，AST)的中間表示(Intermediate Representation，IR)來(lái)解決兩語(yǔ)言間的差異問(wèn)題，為MATLAB和C轉(zhuǎn)換過(guò)程中提供統(tǒng)一的接口，避免為兩種語(yǔ)言的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)映射制定繁瑣的規(guī)則。二是由于C中變量需要聲明后使用，而MATLAB不需要，因此在轉(zhuǎn)換時(shí)需要對(duì)MATLAB中的矩陣變量的類型信息(矩陣的大小和矩陣元素的類型)進(jìn)行識(shí)別。已有許多對(duì)此類高級(jí)語(yǔ)言的變量類型信息識(shí)別的研究成果[2-6]，本文借鑒并實(shí)現(xiàn)了MATLAB到C的轉(zhuǎn)換過(guò)程中的類型信息推導(dǎo)。三是MATLAB中大部分表達(dá)式是矢量間的運(yùn)算，直接轉(zhuǎn)換到C語(yǔ)句會(huì)導(dǎo)致性能下降，并且很多內(nèi)置的科學(xué)計(jì)算函數(shù)沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)的C代碼。本文設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換算法，使用C數(shù)學(xué)核心庫(kù)(Math Kernel Library，MKL)中的函數(shù)為MATLAB中的矢量運(yùn)算和庫(kù)函數(shù)生成高性能C代碼段，解決轉(zhuǎn)換困難和性能問(wèn)題。本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)能幫助開(kāi)發(fā)人員將MATLAB代碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換生成C代碼，提升代碼性能，減少人工成本。




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作者信息：

余澤霖1，2，徐  云1，2

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥230026；

2.安徽省高性能計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230026)




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