MATLAB到高性能C的代码转换系统设计与实现-AET-电子技术应用

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。

关键词： Matlab 代码转换高性能代码 MKL函数库

中图分类号： TP311.1
文献标识码： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2022.06.007
引用格式：余泽霖，徐云. MATLAB到高性能C的代码转换系统设计与实现[J].信息技术与网络安全，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由于其强大的功能、友好的开发界面和简单易用的编程语言形式而被开发人员广泛使用，许多企业和科研单位都存在着大量的MATLAB遗留代码(Legacy Code)。但由于MATLAB程序运行依赖于MATLAB软件系统，部分工作平台无法满足要求，并且它的运行速度相较于C等更底层的语言慢，无法满足高性能计算的需求，通常需要将这些遗留MATLAB代码转换为C代码。而人工转换代码需要付出高昂的人力成本，因此，理想的解决方案是将MATLAB代码自动转换成C代码。

程序转换可以节省软件开发的成本，并在软件的移植、重用、更新和编译等方面有着重要的应用[1]，因此在国内外有大量的对编程语言转换的研究。本文对已有的编程语言转换方法进行了借鉴和改进，提出了一个MATLAB到C的自动转换方法，着重解决了以下三个关键问题：一是引入了一种基于抽象语法树(Abstract Syntax Tree，AST)的中间表示(Intermediate Representation，IR)来解决两语言间的差异问题，为MATLAB和C转换过程中提供统一的接口，避免为两种语言的语法结构映射制定繁琐的规则。二是由于C中变量需要声明后使用，而MATLAB不需要，因此在转换时需要对MATLAB中的矩阵变量的类型信息(矩阵的大小和矩阵元素的类型)进行识别。已有许多对此类高级语言的变量类型信息识别的研究成果[2-6]，本文借鉴并实现了MATLAB到C的转换过程中的类型信息推导。三是MATLAB中大部分表达式是矢量间的运算，直接转换到C语句会导致性能下降，并且很多内置的科学计算函数没有直接对应的C代码。本文设计了转换算法，使用C数学核心库(Math Kernel Library，MKL)中的函数为MATLAB中的矢量运算和库函数生成高性能C代码段，解决转换困难和性能问题。本文实现的系统能帮助开发人员将MATLAB代码自动转换生成C代码，提升代码性能，减少人工成本。

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作者信息：

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)

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