摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的基于COM的Matlab與Delphi混合編程技術(shù)，界面容易出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，詳細(xì)討論了其出現(xiàn)的原因，提出了一種基于COM STA線程模型的改進(jìn)的混合編程方法，并以一信號(hào)包絡(luò)提取為例給出了改進(jìn)方法的具體實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Delphi；Matlab；混合編程；COM；單線程套間

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）12-2912-04

Delphi是一種基于Object Pascal語言的快速可視化開發(fā)工具，對(duì)于程序開發(fā)人員來講，使用Delphi開發(fā)應(yīng)用軟件，將會(huì)極大地提高編程效率，但若直接利用Delphi開發(fā)一些復(fù)雜算法特別是科學(xué)計(jì)算，其效率并不會(huì)很高。Matlab作為一種高性能數(shù)值計(jì)算軟件，提供了強(qiáng)大的數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算和圖形顯示等功能，被廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算、數(shù)值分析、系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域，但由于Matlab是一種解釋型編程語言，執(zhí)行效率低，程序界面開發(fā)能力差。如果將Delphi與Matlab相結(jié)合，將會(huì)克服彼此缺點(diǎn)，高效地完成編程任務(wù)。

Delphi和Matlab混合編程的常用方法有多種[1-3]，其中基于COM組件技術(shù)的編程方法得到了廣泛關(guān)注[4-5]。這種方法是利用Matlab提供的COM Builder工具將編寫好的M文件編譯生成DLL庫，之后供Delphi調(diào)用，該方法可以脫離Matlab環(huán)境，因而極大的方便了應(yīng)用程序的發(fā)布。但其也有缺點(diǎn)，其中之一是在應(yīng)用程序中調(diào)用DLL庫時(shí)容易出現(xiàn)用戶界面凍結(jié)，使用戶以為程序失去響應(yīng)。為此，該文對(duì)此進(jìn)行研究，提出一種基于COM STA線程模型的改進(jìn)方法。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 COM組件

COM即組件對(duì)象模型（Componet Object Model， COM），是一種以組件為發(fā)布單元的對(duì)象模型，該模型使各應(yīng)用程序組件可以用一種統(tǒng)一的方式進(jìn)行通訊。

在COM標(biāo)準(zhǔn)中，COM對(duì)象被完美地封裝起來，客戶無法訪問對(duì)象的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，提供給用戶的唯一訪問途徑是通過COM接口來實(shí)現(xiàn)。COM接口有兩方面的含義：其一，它是一組可供調(diào)用的函數(shù)，客戶可以讓該對(duì)象做某些事情；其二，接口是組件及其客戶程序之間的協(xié)議。使用COM編程實(shí)現(xiàn)了與編程語言無關(guān)的軟件重用。

1.2 基于COM組件實(shí)現(xiàn)Delphi與Matlab混合編程

傳統(tǒng)的基于COM組件實(shí)現(xiàn)的Delphi與Matlab混合編程[4-5]，其第一步是編寫M文件，之后在Matlab環(huán)境下輸入命令comtool，啟動(dòng)Matlab COM Builder，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)并添加好M文件后，就可以編譯生成相應(yīng)的COM組件，并將該COM組件注冊(cè)到Windows的注冊(cè)表中，最后在Delphi中直接調(diào)用該COM組件，實(shí)現(xiàn)混合編程。但這種方法基于的是單線程技術(shù)，所開發(fā)的應(yīng)用程序在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)界面凍結(jié)。原因分析如下：

假設(shè)有一個(gè)利用Matlab實(shí)現(xiàn)的COM服務(wù)器，MatrixServer，該服務(wù)器提供有一種方法Mul，功能是實(shí)現(xiàn)矩陣相乘運(yùn)算。

IMatrix = interface

procedure Mul；

end；

假設(shè)該服務(wù)器同通常的應(yīng)用程序一樣，采用的是單線程技術(shù)。考慮3個(gè)客戶（C1，C2，C3），每一客戶都創(chuàng)建一個(gè)Matrix實(shí)例MatrixServer。這3個(gè)客戶都si9MTIjjnM8zi+NTGBUJhg==同時(shí)調(diào)用IMatrix.Mul（假定第一個(gè)是C1，隨后是C2，接著C3）。由于MatrixServer是單線程的，其只能按順序一個(gè)一個(gè)執(zhí)行命令，因此首先處理C1，然后C2，最后處理C3。

由于利用Matlab實(shí)現(xiàn)的大多是一些復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算工作，其執(zhí)行過程將花費(fèi)較多的時(shí)間。假設(shè)執(zhí)行完畢C1和C2各需要一分鐘時(shí)間，那么最后完成C3工作將至少需要3分鐘時(shí)間。這是因?yàn)镃3必須等待C1和C2完成之后才能進(jìn)行。這樣就出現(xiàn)界面凍結(jié)。

1.3 COM線程模型

1.3.1 套間

“套間”是指存放一組對(duì)象的地方，該組對(duì)象共享相同的線程行為和要求。COM線程模型包括單線程套間STA、多線程套間MTA和中性套間（Neutral Apartment）。一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)STA，但最多只能有一個(gè)MTA。

1.3.2 單線程套間STA

STA是COM線程模型中一個(gè)重要的概念。在一個(gè)STA中，有且只有一個(gè)線程，駐留在該STA中的所有對(duì)象都服務(wù)于該線程。由于STA中僅有一個(gè)線程，因而被默認(rèn)序列化，無需考慮多線程編程中的同步問題[7]，如圖1所示。

由于一個(gè)STA包含一個(gè)線程，多個(gè)STA包含多個(gè)線程，因而可以利用創(chuàng)建多個(gè)STA在一個(gè)服務(wù)中實(shí)現(xiàn)多線程。

假設(shè)在C1、C2、C3調(diào)用IMatrix.Mul時(shí)分別創(chuàng)建一個(gè)線程實(shí)例，這樣C1、C2、C3將分別工作在服務(wù)線程T1、T2、T3上。這樣C1、C2、C3三個(gè)客戶可以同時(shí)調(diào)用IMatrix.Mul，而無需等待，從而可以消除界面凍結(jié)。圖2所示為利用STA實(shí)現(xiàn)C1、C2、C3同時(shí)調(diào)用IMatrix.Mul。

在使用STA時(shí)需要注意的是，由于STA套間中所有的COM組件代碼都運(yùn)行于主STA（第一個(gè)調(diào)用CoInitialize函數(shù)的線程），如果主線程沒有調(diào)用CoInitialize，那么第一個(gè)調(diào)用CoInitialize的工作線程就會(huì)成為主STA，而工作線程隨時(shí)可能中止，這種情況下，一旦工作線程中止，主STA也就不復(fù)存在了，因此必須在主線程中調(diào)用CoInitialize初始化主STA。初始化STA也可以使用CoInitializeEx（nil，COINIT_APARTMENTTHREADED）函數(shù)，它與CoInitialize（nil）等效。

通過查閱Windows注冊(cè)表鍵，由Matlab生成的COM組件，其線程模型ThreadingModel=Both，說明其既支持STA，也支持MTA。

2 利用STA線程模型實(shí)現(xiàn)Delphi調(diào)用COM組件

Delphi調(diào)用COM組件之前需要利用CoInitialize（nil）函數(shù)初始化COM組件，以便讓COM知道如何同調(diào)用線程工作，最后需要調(diào)用CoUnInitialize函數(shù)關(guān)閉COM，卸載在該線程中已裝載DLL，釋放線程中使用的資源，以及關(guān)閉線程中所有打開的RPC連接。

假設(shè)有一個(gè)利用Matlab生成的COM組件signal.dll，在Delphi XE中調(diào)用該組件的方法如下：

1）打開Delphi XE集成開發(fā)環(huán)境，新建一個(gè)包，設(shè)該包名命名為signal，編譯并安裝該包，然后關(guān)閉該包；

2）選擇Component→Import Component→Import a Type Library，出現(xiàn)Import Component對(duì)話框后，找到signal.dll，點(diǎn)擊下一步，在Palette Page中選擇ActiveX，再點(diǎn)擊下一步，選擇“Install to a Existing Package”，繼續(xù)下一步，定位到在第（1）步中安裝的包signal.bpl，單擊完成，即可將signal.dll安裝到Delphi XE中；

3）在所建的Delphi XE工程中，新建一個(gè)Thread Object文件，類名為TSignal，在該文件的Execute過程中輸入以下代碼：

FreeOnTerminate：=True；

try

CoInitialize（nil）；

調(diào)用Form1中的Signal1組件；

finally

CoUnInitialize；

end；

在Form1中Button1的OnClick事件中輸入以下代碼：

try

TSignal.Create（False）；

except

Application.MessageBox（'系統(tǒng)出現(xiàn)異常！'，'錯(cuò)誤'）；

end；

通過以上四個(gè)步驟，就可以實(shí)現(xiàn)Delphi與Matlab混合編程，而且在執(zhí)行COM組件所提供函數(shù)的同時(shí)，還可以進(jìn)行其它的操作，而不會(huì)出現(xiàn)界面凍結(jié)。

3 應(yīng)用實(shí)例

下面用一個(gè)實(shí)際例子說明如何利用COM STA線程模型實(shí)現(xiàn)Delphi和Matlab混合編程。該實(shí)例實(shí)現(xiàn)的是利用S變換提取信號(hào)包絡(luò)。首先編寫Matlab函數(shù)如下：

%輸入?yún)?shù)：fName—文件名，Len—文件長度

%輸出參數(shù)：wav—信號(hào)原始波形，stenv—基于S變換提取的信號(hào)包絡(luò)

function [wav， stenv] = stanaly（fName，Len）

[wav Fs] = wavread（fName）；

if length（wav） > Len

wav = wav（1：Len）；

end

stran = st（wav）；

stenv = []；

for i=1：size（stran，2）

stran1 = max（abs（stran（： ， i）））；

stenv = [stenv stran1]；

end

stenv = stenv*max（abs（wav））；

stenv = stenv/max（stenv）；

按照文獻(xiàn)[4]介紹的方法，制作并注冊(cè)COM組件。設(shè)組件名為TSignal，按上文介紹的方法將TSignal安裝到Delphi IDE中。

在Delphi新建一個(gè)工程，在窗體上添加如下控件：一個(gè)Signal，一個(gè)Chart，兩個(gè)Edit，兩個(gè)Label，一個(gè)UpDown，五個(gè)Button，一個(gè)Timer，一個(gè)OpenDialog，一個(gè)AlWavePlayer，一個(gè)AlAudioOut，一個(gè)SlScope。設(shè)置UpDown控件的Associate屬性為Edit1，Min=7000，Max=10000，設(shè)計(jì)的最終界面如圖3所示。

新建一個(gè)Thread Object單元，單元名為Unit2，類名為TSt。在其Execute過程添加如下代碼：

procedure TSt.Execute；

begin

FreeOnTerminate ：= True；

try

CoInitialize（nil）；

try

fStatusText ：= '信號(hào)分析—波形分析中，請(qǐng)稍候...'；

Synchronize（ShowStatus）； //在Form1.Caption中顯示相關(guān)信息

Form1.Signal1.stanaly（2， wav， stenv， FFName， FFLen）；

except

Application.MessageBox（'系統(tǒng)出現(xiàn)異常！'，'錯(cuò)誤'）

end；

finally

fStatusText ：= '信號(hào)分析—波形分析完成'；

Synchronize（ShowStatus）；

CoUnInitialize；

end；

end；

Unit1單元的部分代碼如下：

procedure TForm1.BtnAnalyClick（Sender： TObject）；

var

fName ： string；

fLen ： Integer；

begin

fName ：= Copy（EdtFName.Text， 1， Length（EdtFName.Text）-4）；

fLen ：= StrToInt（EdtFLen.Text）；

wav ：= VarArrayCreate（[1， fLen]， VarDouble）；//傳出COM的變體數(shù)據(jù)：原始波形

stenv ：= VarArrayCreate（[1， fLen]， VarDouble）；//傳出COM的變體數(shù)據(jù)：st變換包絡(luò)

try

Timer1.Enabled ：= True；

SignalThread ：= TSt.Create（fName，fLen）；

except

Application.MessageBox（'系統(tǒng)出現(xiàn)異常！'，'錯(cuò)誤'）；

BtnExit.Enabled ：= True；

end；

end；

procedure TForm1.PlotWave；

var

WavData， EnvData ： array of double； //原始波形和信號(hào)包絡(luò)

p1， p2 ： Pointer；

i ： Integer；

begin

SetLength（WavData，StrToInt（EdtFLen.Text））；

SetLength（EnvData，StrToInt（EdtFLen.Text））；

p1 ：= VarArrayLock（wav）；

p2 ：= VarArrayLock（stenv）；

Chart1.Series[0].Clear；

Chart2.Series[0].Clear；

try

Move（p1^， WavData[1]， StrToInt（EdtFLen.Text） * sizeof（double））；

Move（p2^， EnvData[1]， StrToInt（EdtFlen.Text） * sizeof（double））；

for i ：= Low（WavData） to High（WavData） do

begin

Chart1.Series[0].AddXY（i， WavData[i]）；

Chart2.Series[0].AddXY（i， EnvData[i]）；

end；

finally

VarArrayUnlock（wav）；

VarArrayUnlock（stenv）；

end；

由于篇幅所限，其余代碼省略。

在Delhi IDE中編譯、連接工程，運(yùn)行效果如圖3所示。點(diǎn)擊“分析”按鈕進(jìn)行分析的同時(shí)，還可以執(zhí)行其他操作，而不會(huì)出現(xiàn)界面凍結(jié)現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)討論了基于COM STA線程模型的Delphi和Matlab混合編程的實(shí)現(xiàn)方法。按照這種方法進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，不僅可以充分利用Matlab強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能和Delphi靈活的可視化設(shè)計(jì)功能，而且開發(fā)出的系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)界面凍結(jié)現(xiàn)象，避免給用戶程序僵死的假象。采用這種方法可以提高軟件性能，為科學(xué)研究和工程計(jì)算提供更強(qiáng)的技術(shù)支持。該文所介紹的應(yīng)用實(shí)例在Windows XP、Delphi XE和Matlab 7環(huán)境下調(diào)試通過。

參考文獻(xiàn)：

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