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MATLAB到高性能C的代碼轉換系統設計與實現

信息技術與網絡安全 6期

余澤霖1，2，徐云1，2

(1.中國科學技術大學計算機科學與技術學院，安徽合肥230026； 2.安徽省高性能計算重點實驗室，安徽合肥230026)

摘要： MATLAB被廣泛應用于算法設計及驗證，但由于平臺限制及性能因素影響，實際工作中通常使用C語言及高性能庫來重寫和優化代碼。人工轉換MATLAB到C工作繁瑣，而大部分已有的自動轉換方法又難以解決MATLAB的高性能矢量運算和庫函數與C的對接問題。為此，設計了一個MATLAB到高性能C的自動轉換系統，通過將MATLAB代碼轉換為中間表示，進一步轉換為C代碼。同時，將MATLAB的高性能矢量運算和庫函數對接到高性能C函數庫Math Kernel Library(MKL)上。在相同MATLAB代碼上的實驗結果表明，該系統轉換生成的C代碼性能與人工編寫的C代碼相當，優于已有的轉換方法生成的C代碼。

關鍵詞： Matlab 代碼轉換高性能代碼 MKL函數庫

中圖分類號： TP311.1
文獻標識碼： 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的代碼轉換系統設計與實現[J].信息技術與網絡安全，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由于其強大的功能、友好的開發界面和簡單易用的編程語言形式而被開發人員廣泛使用，許多企業和科研單位都存在著大量的MATLAB遺留代碼(Legacy Code)。但由于MATLAB程序運行依賴于MATLAB軟件系統，部分工作平臺無法滿足要求，并且它的運行速度相較于C等更底層的語言慢，無法滿足高性能計算的需求，通常需要將這些遺留MATLAB代碼轉換為C代碼。而人工轉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代碼自動轉換成C代碼。

程序轉換可以節省軟件開發的成本，并在軟件的移植、重用、更新和編譯等方面有著重要的應用[1]，因此在國內外有大量的對編程語言轉換的研究。本文對已有的編程語言轉換方法進行了借鑒和改進，提出了一個MATLAB到C的自動轉換方法，著重解決了以下三個關鍵問題：一是引入了一種基于抽象語法樹(Abstract Syntax Tree，AST)的中間表示(Intermediate Representation，IR)來解決兩語言間的差異問題，為MATLAB和C轉換過程中提供統一的接口，避免為兩種語言的語法結構映射制定繁瑣的規則。二是由于C中變量需要聲明后使用，而MATLAB不需要，因此在轉換時需要對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)進行識別。已有許多對此類高級語言的變量類型信息識別的研究成果[2-6]，本文借鑒并實現了MATLAB到C的轉換過程中的類型信息推導。三是MATLAB中大部分表達式是矢量間的運算，直接轉換到C語句會導致性能下降，并且很多內置的科學計算函數沒有直接對應的C代碼。本文設計了轉換算法，使用C數學核心庫(Math Kernel Library，MKL)中的函數為MATLAB中的矢量運算和庫函數生成高性能C代碼段，解決轉換困難和性能問題。本文實現的系統能幫助開發人員將MATLAB代碼自動轉換生成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.中國科學技術大學計算機科學與技術學院，安徽合肥230026；

2.安徽省高性能計算重點實驗室，安徽合肥230026)

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