MATLAB編程基礎課件

流程控制1選擇結(jié)構(gòu)如前所述，當人們判斷某一條件是否滿足，根據(jù)判斷的結(jié)果來選擇不同的解決問題的方法時，就需要使用選擇結(jié)構(gòu)。和C語言類似，MATLAB的條件判斷可以使用if語句或者switch語句。

1.1if語句if語句的基本語法結(jié)構(gòu)有三種，分別如下：(1)if(關系運算表達式) MATLAB語句end

這種形式的選擇結(jié)構(gòu)表示，當關系運算表達式計算的結(jié)果為邏輯真的時候，執(zhí)行MATLAB語句，這里的MATLAB語句可以是一個MATLAB表達式，也可以是多個MATLAB表達式。在MATLAB語句的結(jié)尾處，必須有關鍵字end。

(2)if(關系運算表達式) MATLAB語句Aelse MATLAB語句Bend

這種選擇結(jié)構(gòu)表示，當關系運算表達式的計算結(jié)果為邏輯真的時候，執(zhí)行MATLAB語句A，否則執(zhí)行MATLAB語句B，在語句B的結(jié)尾必須具有關鍵字end。(3)if(關系運算表達式a) MATLAB語句A

elseif(關系運算表達式b) MATLAB語句Belse(關系運算表達式c)

end

這種選擇結(jié)構(gòu)可以判斷多條關系運算表達式的計算結(jié)果，然后按照執(zhí)行的邏輯關系執(zhí)行相應的語句。根據(jù)類似的C語言知識或者前面兩種選擇結(jié)構(gòu)的介紹判斷這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式?！璱f(關系表達式a) if(關系表達式b)MATLAB語句A elseMATLAB語句B endelse if(關系表達式c)MATLAB語句C elseMATLAB語句D endend注意：在使用嵌套的選擇結(jié)構(gòu)時，需要小心if語句和end關鍵字的配對。和C語言類似，if-elseif-else的語句結(jié)構(gòu)也可以嵌套地使用，也就是可以存在這樣的語句結(jié)構(gòu)：1.2switch語句另外一種構(gòu)成選擇結(jié)構(gòu)的關鍵字就是switch。在處理實際問題的時候，往往要處理多個分支，這時如果使用if-else語句處理多分支結(jié)構(gòu)往往使程序變得十分冗長，從而降低了程序的可讀性。switch語句就可以用于處理這種多分支的選擇，它的基本語法結(jié)構(gòu)如下：switch(表達式) case常量表達式a：MATLAB語句A case常量表達式b：MATLAB語句B

case常量表達式m：MATLAB語句M otherwise：MATLAB語句Nend…在switch語句之后的表達式可以是一個數(shù)值類型表達式或者是一個數(shù)值類型的變量，當這個表達式的值同case后面的某一個常量表達式相等時，則執(zhí)行該case后面的常量表達式后面的語句。注意：

MATLAB的switch和C語言的switch語句結(jié)構(gòu)不同。在C語言中，每一個case后面的語句中必須包含類似break語句的流程控制語句，否則程序會依次執(zhí)行符合條件的case語句后面的每一個case分支。但是在MATLAB中就不必如此，程序僅僅執(zhí)行符合條件的case分支。補充例題3中需要用戶在執(zhí)行程序的過程中輸入一個字符串，switch語句根據(jù)用戶的輸入判斷執(zhí)行相應的case分支。若沒有符合條件的case分支，則switch執(zhí)行otherwise后面的語句。若switch結(jié)構(gòu)中沒有定義otherwise及其相應的代碼，則程序不會進行任何操作，而是直接退出switch結(jié)構(gòu)。提示：在處理以字符串變量或者常量參與的關系判斷操作時，使用switch結(jié)構(gòu)要比if-else結(jié)構(gòu)效率高一些。由于MATLAB的switch結(jié)構(gòu)沒有C語言的fall-through特性，所以，如果需要針對多個條件而使用同一個case分支的時候，需要使用元胞數(shù)組與之配合。例子

4switch結(jié)構(gòu)使用示例——switch_examp2.m。001 clearall002003 var=input('InputaNumer:');004 switchvar005 case1006 disp('1')007 case{2,3,4}008 disp('2or3or4')009 case5010 disp('5')011 otherwise012 disp('somethingelse')013 end例子4運行的方法和效果如下：>>switch_examp2InputaNumer:11>>switch_examp2InputaNumer:32or3or4>>switch_examp2InputaNumer:7somethingelse例子4代碼的核心部分為007行，這里使用元胞數(shù)組增加判斷條件的個數(shù)，當輸入的數(shù)字為2、3或者4時，switch結(jié)構(gòu)將使用同一個case分支進行判斷、計算。注意：從代碼的完整性和可靠性角度出發(fā)，在使用switch語句時，一定要包含otherwise分支，這是一種良好的編程習慣。2循環(huán)結(jié)構(gòu)在解決很多問題的時候需要使用循環(huán)結(jié)構(gòu)，例如求解數(shù)列的和或者進行某種迭代法求解數(shù)值方程時，都需要循環(huán)結(jié)構(gòu)配合完成計算。在MATLAB中，包含兩種循環(huán)結(jié)構(gòu)，一種是循環(huán)次數(shù)不確定的while循環(huán)，而另一種是循環(huán)次數(shù)確定的for循環(huán)。

1．while循環(huán)結(jié)構(gòu)while語句可以用來實現(xiàn)“當”型的循環(huán)結(jié)構(gòu)，它的一般形式如下：while(表達式)MATLAB語句end

當表達式為真時，循環(huán)將執(zhí)行由語句構(gòu)成的循環(huán)體，其特點是先判斷循環(huán)條件，如果循環(huán)條件成立，即表達式運算結(jié)果為“真”，再執(zhí)行循環(huán)體。循環(huán)體執(zhí)行的語句可以是一句也可以是多句，在MATLAB語句之后必須使用關鍵字end作為整個循環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)束。另外，在循環(huán)過程中一定要能夠改變關系表達式或者布爾類型變量的值，或者使用其他方法來跳出循環(huán)，否則會陷入死循環(huán)(無法正常退出的循環(huán)叫作死循環(huán))。例子5

使用while語句求解 。001 i=1;002 sum=0;003 while(i<=1000)004 sum=sum+i;005 i=i+1;006 end007 str=['計算結(jié)果為：',num2str(sum)];008 disp(str)例子5的運行結(jié)果為

>>while_example

計算結(jié)果為：500500

例子5的使用了while循環(huán)結(jié)構(gòu)，在循環(huán)結(jié)構(gòu)中進行了累加的操作。需要注意的是，在MATLAB中沒有類似C語言的++或者+=等運算操作符，因此在進行諸如累加或者遞減的運算時，不得不給出完整的表達式。另外，例子5求數(shù)列和的算法的運算效率很低，在MATLAB中不要使用這樣的結(jié)構(gòu)完成類似的運算，而需要采用向量化的計算。注意：

while循環(huán)結(jié)構(gòu)的關系表達式可以是某個數(shù)據(jù)變量或者常量，這時，將按照非零值為邏輯真進行相應的操作。另外，在進行上述操作時，若數(shù)據(jù)變量為空矩陣，則while語句將空矩陣作為邏輯假處理，也就是說，在whileAMATLAB語句S1end結(jié)構(gòu)中，若A為空矩陣，則MATLAB語句S1永遠不會被執(zhí)行。

2．for循環(huán)結(jié)構(gòu)使用for語句構(gòu)成循環(huán)是最靈活、簡便的方法，不過，使用for語句循環(huán)需要預先知道循環(huán)體執(zhí)行的次數(shù)，所以這種循環(huán)一般叫作確定循環(huán)。在MATLAB中for循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如下：forindex=start:increment:end MATLAB語句end其中，index的取值取決于start和end的值，一般地，這里通常使用等差的數(shù)列向量，參見例子6。例子6

使用for語句求解 。001 sum=0;002 fori=1:1000003 sum=sum+i;004 end 005 str=['計算結(jié)果為：',num2str(sum)];006 disp(str)例子6運行的結(jié)果為>>for_example計算結(jié)果為：500500

在例子6中，使用了確定次數(shù)的for循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)次數(shù)使用行向量進行控制，而且索引值i按照默認的數(shù)值1進行遞增。在for循環(huán)語句中，不僅可以使用行向量進行循環(huán)迭代的處理，也可以使用矩陣作為循環(huán)次數(shù)的控制變量，這時循環(huán)的索引值將直接使用矩陣的每一列，循環(huán)的次數(shù)為矩陣的列數(shù)，參見例子7。例子7for循環(huán)示例。001 A=rand(3,4);002003 fori=A004 sum=mean(i)005 end例子7運行的結(jié)果為>>for_matricessum=0.2728sum=0.6649sum=0.4275sum=0.5220例子7盡管只有短短的幾行，但是使用了一個矩陣作為循環(huán)的索引值，于是，循環(huán)結(jié)果就分別計算矩陣的每一列元素的均值。和其他高級語言類似，MATLAB的循環(huán)結(jié)構(gòu)也可以進行嵌套使用，使用嵌套的循環(huán)需要注意for關鍵字和end關鍵字之間的配對使用，根據(jù)高級語言的一般特性來推斷其運行的方式。3break語句和continue語句在循環(huán)結(jié)構(gòu)中還有兩條語句會影響程序的流程，這就是break語句和continue語句，這兩條語句的基本功能如下：●當break語句使用在循環(huán)體中的時候，其作用是能夠在執(zhí)行循環(huán)體的時候強迫終止循環(huán)，即控制程序的流程，使其提前退出循環(huán)，它的使用方法是

break；●continue語句出現(xiàn)在循環(huán)體中的時候，其作用是能夠中斷本次的循環(huán)體運行，將程序的流程跳轉(zhuǎn)到判斷循環(huán)條件的語句處，繼續(xù)下一次的循環(huán)，它的使用方法是

continue；例子8break語句示例——break_example.m。001 i=0;002 j=0;003 k=0;004 fori=1:2005 forj=1:2006 fork=1:2007 if(k==2)008 disp('退出循環(huán)');009 break;010 end011 str=sprintf('I=%d,J=%d,K=%d',i,j,k);012 disp(str);013 end014 end015 end016 disp('程序運行結(jié)束');例子8的運行結(jié)果如下：>>break_exampleI=1,J=1,K=1退出循環(huán)I=1,J=2,K=1退出循環(huán)I=2,J=1,K=1退出循環(huán)I=2,J=2,K=1退出循環(huán)程序運行結(jié)束

break語句的作用是退出當前的循環(huán)結(jié)構(gòu)運行，所以在例子8中，位于最內(nèi)層循環(huán)的break語句執(zhí)行的結(jié)果是退出了最內(nèi)層的循環(huán)k，位于外層的循環(huán)i和j還是都運行完畢了。例子9continue語句示例。001 i=0;002 fori=1:6003 if(i>3)004 continue005 else006 str=sprintf('I=%d',i);007 disp(str);008 end009 end010 str=sprintf('循環(huán)結(jié)束I=%d',i);011 disp(str);例子9的運行結(jié)果如下：>>continue_exampleI=1I=2I=3循環(huán)結(jié)束I=6continue語句的作用在例子9中得到了充分說明，該語句終止當前的循環(huán)，然后繼續(xù)下一次循環(huán)運算，直到所有的循環(huán)迭代運算結(jié)束為止。4提高運算性能

M語言和其他的高級語言不同，由于采用了解釋型語言，所以M語言的執(zhí)行效率肯定低于編譯型語言(例如C語言)。然而，隨著MATLAB版本的不斷升級，再加之合理利用MATLAB向量運算等特點可以較大幅度地提高M語言代碼的執(zhí)行效率。在本小節(jié)結(jié)合一些具體的例子來講述M語言編程以及MATLAB軟件本身在提高程序執(zhí)行效率方面的一些特性。

1．向量化運算首先，希望讀者牢記這樣一點，MATLAB最初的目的是提供便利的矩陣數(shù)據(jù)操作能力。所以在大多數(shù)的應用程序中，不要使用循環(huán)結(jié)構(gòu)操作矩陣的元素，應直接使用矩陣元素的索引或者矩陣運算的函數(shù)，這樣做不僅能夠提高代碼的執(zhí)行效率，而且還能夠提高程序的可讀性，這就是所謂的向量化的運算，也就是說，盡量將使用while循環(huán)或者for循環(huán)的語句結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成等價的向量或者矩陣運算，以提高程序的運算速度，參見例子10。例子10

向量化運算——array_vs_loops.m。001 Mass=rand(5,10000);002 Length=rand(5,10000);003 Width=rand(5,10000);004 Height=rand(5,10000);005 006 [rows,cols]=size(Mass);007 008 disp([char(10),'使用數(shù)組運算：'])009 tic010 Density=Mass./(Length.*Width.*Height);011 toc

012013 disp([char(10),'使用循環(huán)結(jié)構(gòu)：'])014 tic;015 forI=1:rows016 forJ=1:cols017 Density(I)=Mass(I,J)/(Length(I,J)*Width(I,J)*Height(I,J));018 end019 end020 toc

例子10比較了循環(huán)結(jié)構(gòu)和數(shù)組運算的執(zhí)行效率，程序中分別在010行使用數(shù)組運算和在015～019行使用循環(huán)結(jié)構(gòu)完成了同樣的工作。程序的運行結(jié)果如下：>>array_vs_loops使用數(shù)組運算：elapsed_time=*使用循環(huán)結(jié)構(gòu)：elapsed_time=*

2．預分配存儲空間另外一種能夠提高運算效率的方法就是進行內(nèi)存變量存儲空間的預分配，首先察看例子11。例子11內(nèi)存預分配的例子——pre_allocate.m。001 disp([char(10),'使用內(nèi)存預分配：'])002 pre_allo=zeros(10000,1);003 tic;004 forI=1:10000005 pre_allo(I)=rand(1);006 end007 toc008 009 disp([char(10),'不使用內(nèi)存預分配：'])010 tic;011 forJ=1:10000012 not_pre_allo(J)=rand(1);013 end014 toc

例子11的執(zhí)行結(jié)果如下：

>>pre_allocate使用內(nèi)存預分配：elapsed_time=*不使用內(nèi)存預分配:elapsed_time=*上面兩種不同的運算惟一的區(qū)別就是程序002行，執(zhí)行這行語句之后，MATLAB自動分配了10000個連續(xù)的內(nèi)存空間用于存儲數(shù)據(jù)，MATLAB將一次創(chuàng)建足夠的存儲空間，然后依次賦值。而后者not_pre_alloc變量沒有進行相應的操作，所以帶來了兩次運算結(jié)果的不同。在不使用內(nèi)存預分配的運算中，MATLAB是如何進行操作的呢？當I=1時，MATLAB將使用一小塊長度為一個單元大小的內(nèi)存保存一位隨機數(shù)。當I=2時，MATLAB尋找一塊兩單元大小的內(nèi)存區(qū)，一個單元放第一個隨機數(shù)，第二個放另外一個隨機數(shù)?！擨=10000時，MATLAB尋找一塊容納10000單元的內(nèi)存區(qū)存放以前的9999個隨機數(shù)，同時把最新的一個隨機數(shù)加入進去。代碼運行的結(jié)果造成了存儲空間的浪費，降低了程序的執(zhí)行速度。所以，在編寫M語言程序的時候需要盡量使用內(nèi)存的預分配，而少使用或者不使用數(shù)組內(nèi)存空間的自動擴充方式。MATLAB針對不同的數(shù)據(jù)類型有不同的內(nèi)存預分配函數(shù)，見表1。表1內(nèi)存預分配函數(shù)表1中說明了不同數(shù)據(jù)類型所要使用的內(nèi)存預分配函數(shù)，其中結(jié)構(gòu)類型的數(shù)組需要兩個函數(shù)配合使用，利用struct函數(shù)構(gòu)造結(jié)構(gòu)，而使用repmat函數(shù)創(chuàng)建數(shù)組。對于非雙精度類型的數(shù)據(jù)，例如整數(shù)類型或者單精度類型，進行內(nèi)存的預分配時，需要使用相應的構(gòu)造函數(shù)或者類型轉(zhuǎn)換函數(shù)，例如：

Y=int16(zeros(1:10000));

在上面的表達式中創(chuàng)建了連續(xù)的10000個16位整數(shù)的存儲空間。當預先分配的內(nèi)存空間無法容納數(shù)據(jù)時，則可以通過repmat函數(shù)來擴充數(shù)組的存儲空間。

3．MATLAB加速器盡管利用了上述的特性可以明顯提高M語言的運行效率，但是在同等條件下，M語言的效率還是無法和第四代高級編程語言的執(zhí)行效率相媲美，于是，在MATLAB6.5版本中，新增加了MATLAB性能加速器這樣一個新特性。MATLAB性能加速器能夠明顯改善循環(huán)結(jié)構(gòu)、內(nèi)建函數(shù)調(diào)用等方面的運行效率，特別是在處理循環(huán)迭代次數(shù)確定的for循環(huán)結(jié)構(gòu)中，其運算速度較早期的MATLAB版本有很大的提高，在表2中總結(jié)了MATLAB加速器能夠發(fā)揮作用的M語言元素。表2加速器能夠影響的M語言元素表3性能加速器不起作用的M語言元素3腳本文件腳本文件是最簡單的一種M語言文件，在本章前面章節(jié)的例子中都使用了腳本文件。所謂腳本文件，就是由一系列的MATLAB指令和命令組成的純文本格式的M文件，執(zhí)行腳本文件時，文件中的指令或者命令按照出現(xiàn)在腳本文件中的順序依次執(zhí)行。腳本文件沒有輸入?yún)?shù)，也沒有輸出參數(shù)，執(zhí)行起來就像早期的DOS操作系統(tǒng)的批處理文件一樣，而腳本文件處理的數(shù)據(jù)或者變量必須在MATLAB的公共工作空間中。例子12

腳本文件示例。001 %注釋行002 %M腳本文件示例003 %"flowerpetal"004 %以下為代碼行005 %計算006 theta=-pi:0.01:pi;007 rho(1,:)=2*sin(5*theta).^2;008 rho(2,:)=cos(10*theta).^3;009 rho(3,:)=sin(theta).^2;010 rho(4,:)=5*cos(3.5*theta).^3;011 fork=1:4012 %圖形輸出013 subplot(2,2,k)014 polar(theta,rho(k,:))015 end016 disp('程序運行結(jié)束!')在MATLAB命令行中運行該腳本文件：>>script_example程序運行結(jié)束!圖2例子12腳本文件的運行結(jié)果仔細察看例子12的腳本文件，在腳本文件中，主要由注釋行和代碼行組成。M文件的注釋行需要使用%定義符，在%之后的所有文本都認為是注釋文本，不過，M文件的注釋定義符僅能影響一行代碼，類似于C++語言中的“//”。然而在M語言中，沒有類似C語言的注釋定義符“/*”和“*/”，所以無法一次定義多行注釋。給程序添加適當?shù)淖⑨屖橇己玫木幊塘晳T，希望讀者能夠在日常編程中多多使用。腳本文件中的代碼行都是一些簡單的MATLAB指令或者命令，這些命令可以用來完成相應的計算處理數(shù)據(jù)、繪制圖形結(jié)果的操作，也可以在腳本文件中調(diào)用其他的函數(shù)完成復雜的數(shù)學運算，在例子12中就完成了這些工作。另外，在MATLAB中還有一些指令用來處理程序和用戶之間的交互，在表4-4中進行了總結(jié)。表4腳本文件中常用的MATLAB指令

MATLAB一般使用腳本文件作為某種批處理文件，其中，有兩個批處理文件經(jīng)常被MATLAB自動調(diào)用，這兩個腳本文件分別為startup.m和finish.m。

startup.m文件在MATLAB啟動時自動被執(zhí)行，用戶可以自己創(chuàng)建并定義編寫該文件，例如在文件中添加物理常量的定義、系統(tǒng)變量的設置或者MATLAB搜索路徑的設置。當用戶安裝MATLAB之后，在<MATLABROOT>\toolbox\local路徑下有一個M文件，名為Starupsav.m，該文件可以看作是startup.m文件的模板，可以修改該文件，然后將其以文件名startup.m的形式保存在<MATLABROOT>\toolbox\local路徑下。與startup.m文件相對應的是finish.m文件，該文件在MATLAB退出時自動執(zhí)行，用戶可以自己創(chuàng)建并定義編寫該文件，例如在文件中添加保存數(shù)據(jù)等指令，這樣可以將每次退出前的工作結(jié)果進行保留。同樣，在<MATLABROOT>\toolbox\local路徑下有兩個文件，分別為finishsav.m和finishdlg.m，這兩個文件可以用來作為finish.m文件的模板，相關的具體內(nèi)容介紹請讀者自己察看相應的文件和幫助文檔。4函數(shù)文件4.1基本結(jié)構(gòu)

M函數(shù)文件和腳本文件不同，函數(shù)文件不僅有自己特殊的文件格式，不同的函數(shù)還分別具有自己的工作空間。同其他高級語言類似，M函數(shù)文件也有局部變量和全局變量。讀者首先需要了解的是函數(shù)文件的基本結(jié)構(gòu)，參見例子13。例子13

函數(shù)文件示例——average.m。001 functiony=average(x)002 %AVERAGE求向量元素的均值003 %語法：004 %Y=average(X)005 %其中，X是向量,Y為計算得到向量元素的均值006 %若輸入?yún)?shù)為非向量則出錯007 008 %代碼行009 [m,n]=size(x);010 %判斷輸入?yún)?shù)是否為向量011 if(~((m==1)|(n==1))|(m==1&n==1))012 %若輸入?yún)?shù)不是向量，則出錯013 error('Inputmustbeavector')014 end015 %計算向量元素的均值016 y=sum(x)/length(x);在MATLAB命令行中，鍵入下面的指令運行例子13的代碼：>>z=1:99;>>y=average(z)y=50M語言函數(shù)文件具有下面的不同部分：*函數(shù)定義行。*在線幫助。*注釋行。*M語言代碼。下面結(jié)合例子13分別說明這些部分的構(gòu)成。函數(shù)定義行，例子13的函數(shù)定義行為代碼的001行：

001 functiony=average(x)這一行代碼中包括關鍵字function、函數(shù)輸出參數(shù)y、函數(shù)的名稱average和函數(shù)的輸入?yún)?shù)x。需要讀者注意的是函數(shù)的名稱，函數(shù)的名稱定義要求必須以字符開頭，后面可以用字符、數(shù)字和下劃線的組合構(gòu)成函數(shù)名稱。MATLAB對函數(shù)名稱的長度有限定，讀者可以在自己的MATLAB中，通過執(zhí)行namelengthmax函數(shù)獲取相應的數(shù)值。假設該函數(shù)返回的數(shù)值為N，若函數(shù)的名稱長度超過了N，則MATLAB使用函數(shù)名稱的前N個字符作為函數(shù)名稱。一般推薦將函數(shù)名稱用小寫的英文字符表示，同時函數(shù)的M文件名稱最好和函數(shù)名稱保持一致，若文件名稱和函數(shù)名稱不一致，則調(diào)用函數(shù)的時候需要使用文件名稱而非函數(shù)名稱。

M函數(shù)文件的在線幫助為緊隨在函數(shù)定義行的注釋行。在例子13中，average函數(shù)的在線幫助為002～006行的注釋行。若在MATLAB命令行中鍵入下面的指令：

>>helpaverage在MATLAB的命令窗口中就會出現(xiàn)：

AVERAGE求向量元素的均值語法：

Y=average(X)

其中，X是向量，Y為計算得到向量元素的均值 若輸入?yún)?shù)為非向量則出錯其中，在線幫助中比較重要而且特殊的是在線幫助的第一行，在MATLAB中將這行注釋稱為H1幫助行，它是在線幫助的第一行，若使用lookfor函數(shù)查詢函數(shù)時，僅查詢并顯示函數(shù)的H1幫助行，例如，在MATLAB命令行中鍵入下面的指令：

>>lookforaverage在MATLAB的命令窗口中就會出現(xiàn)：AVERAGE求向量元素的均值MEANAverageormeanvalue.…由于H1幫助行的特殊作用，所以在用戶自己定義M函數(shù)文件時，一定要編寫相應的H1幫助行，對函數(shù)進行簡明、扼要的說明或者解釋。例子13的008、010、012、015行代碼分別是程序具體的注釋行，這些注釋行不會顯示在在線幫助中，主要原因就是這些注釋行沒有緊隨在H1幫助行的后面，其中008行的注釋與在線幫助之間有一個空行。其實從008行開始一直到文件的結(jié)尾都是M函數(shù)文件的代碼行，這些代碼行需要完成具體的算法，實現(xiàn)用戶的具體功能。代碼行就是用戶開發(fā)的算法M語言的實現(xiàn)。4.4.2輸入輸出參數(shù)

M語言函數(shù)文件的輸入、輸出參數(shù)和其他高級語言的輸入、輸出參數(shù)不同，在定義這些輸入、輸出參數(shù)的時候不需要指出變量的類型，因為MATLAB默認這些參數(shù)都使用雙精度類型，這樣可以簡化程序的編寫。而且在定義參數(shù)時，也沒有確定輸入?yún)?shù)的維數(shù)或者尺寸，也就是說，直接從參數(shù)上無法判斷輸入來的是標量、向量還是矩陣，只有通過程序內(nèi)部的具體代碼來加以判斷。

M語言的函數(shù)文件不僅可以有一個輸入?yún)?shù)和一個返回值，還可以為M語言函數(shù)文件定義多個輸入?yún)?shù)和多個輸出參數(shù)，見例子14。例子14

多個輸入、輸出參數(shù)的M函數(shù)。001 function[avg,stdev,r]=ourstats(x,tol)002 %OURSTATS多輸入輸出參數(shù)示例003 %該函數(shù)計算處理矩陣，得到相應的均值、004 %標準差和矩陣的秩005 [m,n]=size(x);006 ifm==1007 m=n;008 end009 %Average010 avg=sum(x)/m;011% Sandaddeviation012 stdev=sqrt(sum(x.^2)/m-avg.^2);013 %Rank014 s=svd(x);015 r=sum(s>tol);運行例子4-15，在MATLAB命令行中，鍵入下面的指令：>>A=[123;456]A=123456>>[a,s,r]=ourstats(A,0.1)a=2.50003.50004.5000s=1.50001.50001.5000r=2>>ourstats(A,0.1)ans=2.50003.50004.5000>>[a,s]=ourstats(A,0.1)a=2.50003.50004.5000s=1.50001.50001.5000例子14的M代碼具有兩個輸入?yún)?shù)、三個輸出參數(shù)，所以在使用該函數(shù)的時候，需要將必要的輸入、輸出參數(shù)寫明。注意調(diào)用該函數(shù)時的語法，將輸出參數(shù)依次寫在一個向量中，若輸出參數(shù)的個數(shù)與函數(shù)定義的輸出參數(shù)個數(shù)不一致，則在例子14中，將計算得到的前幾個輸出參數(shù)作為返回值，個數(shù)等于用戶指定的輸出參數(shù)個數(shù)。計算的結(jié)果依次賦值給不同的變量。在使用多個輸入、輸出參數(shù)的時候，往往需要判斷用戶寫明的輸入、輸出參數(shù)的個數(shù)，若個數(shù)與函數(shù)定義不符合的時候，將給出錯誤或者警告信息，這個時候，需要使用函數(shù)nargin和nargout來獲取函數(shù)的輸入、輸出參數(shù)個數(shù)，見例子15。例子15nargin和nargout示例。001 functionc=testarg(a,b)002 %TESTARG檢測輸入輸出參數(shù)個數(shù)003 %該函數(shù)根據(jù)不同的輸入輸出參數(shù)個004 %數(shù)進行相應的操作005 if(nargout~=1)006 disp('使用該函數(shù)必須指定一個輸出參數(shù)!');007 return008 end009 switchnargin010 case0011 disp('使用該函數(shù)至少需要一個輸入?yún)?shù)!');012 c=[];013 return014 case1015 c=a.^2;016 case2017 c=a+b;018 end運行例子4-16，在MATLAB命令行窗口中，鍵入下面的指令：>>A=[123];>>B=[235];>>testarg(A,B)使用該函數(shù)必須指定一個輸出參數(shù)!>>C=testarg使用該函數(shù)至少需要一個輸入?yún)?shù)!C=[]>>C=testarg(A)C=149>>C=testarg(A,B)C=358>>C=testarg(A,B,C)???Errorusing==>testargToomanyinputarguments.運行例子15的代碼時，使用不同的輸入、輸出參數(shù)，函數(shù)本身和MATLAB系統(tǒng)將自動檢測參數(shù)的個數(shù)，在最后一次調(diào)用時，由于使用的輸入?yún)?shù)個數(shù)超過了函數(shù)定義的個數(shù)，所以MATLAB給出了錯誤信息。

MATLAB的M函數(shù)文件還可以具有個數(shù)不確定的輸入、輸出參數(shù)，也就是說，在定義M函數(shù)文件的時候，不指明輸入、輸出參數(shù)的個數(shù)，而是在程序中通過編寫程序完成具體參數(shù)的確定，完成該功能主要依靠varargin和varargout函數(shù)。當函數(shù)的定義具有以下形式的時候

functiony=function_name(varargin)函數(shù)function_name可以接受任意個數(shù)的輸入?yún)?shù)；而當函數(shù)具有下面的形式時

functionvarargout=function_name(n)函數(shù)function_name可以輸出任意個數(shù)的輸出參數(shù)?？梢詫arargin函數(shù)和varargout函數(shù)結(jié)合在同一個M文件函數(shù)中使用。例子16

不確定的輸入?yún)?shù)個數(shù)。001 functiony=varargin_example(varargin)002 %VARARGIN_EXAMPLE不確定輸入?yún)?shù)例子003 str=sprintf('輸入?yún)?shù)的個數(shù):=%d',length(varargin));004 disp(str);005 y=0;006 %varargin的類型007 class(varargin)008 fori=1:length(varargin)009 %varargin為元胞數(shù)組010 if(isnumeric(varargin{i}))011 %將每個為數(shù)值數(shù)組的輸入?yún)?shù)012 %的第一個元素累加求和013 y=y+varargin{i}(1);014 end015 end運行例子16，在MATLAB命令行中鍵入下面的指令：>>varargin_example輸入?yún)?shù)的個數(shù):=0ans=cellans=0>>varargin_example('a',[123],3,rand(2,5))輸入?yún)?shù)的個數(shù):=4ans=cellans=4.0153通過例子16的運行結(jié)果和例子的代碼可以看出varargin函數(shù)的使用方法。它相當于在MATLAB的函數(shù)入口處開辟了足夠大的空間，用于接受各種用戶的輸入。在使用這個函數(shù)的時候，需要在程序中判別函數(shù)輸入?yún)?shù)的類別，并且從元胞數(shù)組中正確提取變量，在MATLAB中將這一過程稱之為unpacking。與之相對應的，將函數(shù)的輸入?yún)?shù)傳遞給varargout函數(shù)被稱之為packing，在這一過程中，需要將所有必要的輸出參數(shù)傳遞給varargout元胞數(shù)組，在傳遞參數(shù)的時候，還需要注意參數(shù)的順序，在例子17中介紹了這一過程。例子17

不確定的輸出參數(shù)。001 functionvarargout=varargout_example(varargin)002 %VARARGOUT_EXAMPLE不確定個數(shù)的輸出參數(shù)003 004 %判斷輸出參數(shù)的個數(shù)005 %下面注釋行中的代碼執(zhí)行有錯誤006 %str=sprintf('輸出參數(shù)的個數(shù):=%d',length(varargout));007 %必須使用nargout008 str=sprintf('輸出參數(shù)的個數(shù):=%d',nargout);009 disp(str);010 if(nargout<=nargin)011 fork=1:nargout012 varargout{k}=varargin{nargin-k+1};013 end014 end運行例子17的代碼，在MATLAB命令行中，鍵入下面的指令：>>[ab]=varargout_example(1,2,3,4)輸出參數(shù)的個數(shù):=2a=4b=3例子17的第006行代碼，若將注釋行符號“%”刪除，則程序運行會出現(xiàn)錯誤。在程序中，若需要判斷輸出參數(shù)的個數(shù)不能使用length函數(shù)，而需要使用nargout函數(shù)。另外，在操作輸出參數(shù)時，需要判斷輸出參數(shù)的個數(shù)，根據(jù)輸出參數(shù)的個數(shù)完成相應的操作。在使用不確定的輸入、輸出參數(shù)時，還可以像下面的代碼行一樣使用這兩個參數(shù)：function[out1,out2]=example1(a,b,varargin)function[i,j,varargout]=example2(x1,y1,x2,y2,flag)

若使用varargout和varargin參數(shù)，除了必須給定的參數(shù)以外，其余的參數(shù)是任意數(shù)量可變的，具體的操作參閱例子18。例子18可變的輸入、輸出參數(shù)。001 function[x,y,varargout]=vararginout(a,b,c,d,varargin)002 %VARARGINOUT可變的輸入輸出參數(shù)003 str=sprintf('輸入?yún)?shù)的個數(shù):=%d',nargin);004 disp(str);005 str=sprintf('輸出參數(shù)的個數(shù):=%d',nargout);006 disp(str);007 if(nargin<=4)008 error('輸入?yún)?shù)必須多于4個');009 end010 %處理輸入輸出參數(shù)011 x=a+b+c+d;012 y=a-b+c-d;013 if(nargout>2&&nargin>4)014 for(i=1:nargout-2)015 %這里也許會出錯，小心！016 varargout{i}=varargin{end-i-1};017 end018 end運行例子18的代碼，在MATLAB命令行中，鍵入下面的指令：>>vararginout(1,2,3,4,5)輸入?yún)?shù)的個數(shù):=5輸出參數(shù)的個數(shù):=0ans=10>>[a,b,c]=vararginout(1,2,3,4,5,6,7,8)輸入?yún)?shù)的個數(shù):=8輸出參數(shù)的個數(shù):=3a=10b=-2c=64.3子函數(shù)和私有函數(shù)同一個M函數(shù)文件中可以包含多個函數(shù)。如果在同一個M函數(shù)文件中包含了多個函數(shù)，那么將出現(xiàn)在文件中的第一個M函數(shù)稱為主函數(shù)(primaryfunction)，其余的函數(shù)稱為子函數(shù)(subfunction)。M函數(shù)文件的名稱一般與主函數(shù)的名稱保持一致，其他函數(shù)都必須按照函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)來書寫，每一個函數(shù)的開始都是函數(shù)定義行，函數(shù)的結(jié)尾是另一個函數(shù)的定義行的開始或者整個M文件的結(jié)尾(最后一個子函數(shù)的結(jié)尾就是文件結(jié)束符)。不過，子函數(shù)不像主函數(shù)，一般子函數(shù)沒有在線幫助，子函數(shù)的作用范圍有限，它只能被那些在定義子函數(shù)的M文件中定義的函數(shù)(包括主函數(shù)和其他子函數(shù))調(diào)用，不能被其他M文件定義的函數(shù)調(diào)用。例子19子函數(shù)應用例子。001 function[avg,med]=newstats(u)%主函數(shù)002 %NEWSTATS計算均值和中間值003 n=length(u);004 avg=mean(u,n); %調(diào)用子函數(shù)005 med=median(u,n); %調(diào)用子函數(shù)006 007 functiona=mean(v,n) %子函數(shù)008 %計算平均值009 a=sum(v)/n;010011 functionm=median(v,n) %子函數(shù)012 %計算中間值013 w=sort(v);014 ifrem(n,2)==1015 m=w((n+1)/2);016 else017 m=(w(n/2)+w(n/2+1))/2;018 end運行例子19，在MATALB命令行窗口中，鍵入下面的指令：>>x=1:11;>>[mean,mid]=newstats(x)mean=6mid=6在MATLAB中有一類函數(shù)被稱為私有函數(shù)，這類函數(shù)被放置在名稱為private的子目錄中。每一個函數(shù)文件都是標準的M語言函數(shù)文件，沒有特殊的關鍵字。但是，這些函數(shù)僅能被那些位于private子目錄的上一層目錄中的函數(shù)調(diào)用。例如，假設在MATLAB的搜索路徑中包含路徑\ProjectA

，那么所有位于\ProjectA\private路徑下的函數(shù)，只能在其上一層路徑\ProjectA中的函數(shù)文件中調(diào)用。由于私有函數(shù)作用范圍的特殊性，不同父路徑下的私有函數(shù)可以使用相同的函數(shù)名。由于MATLAB搜索函數(shù)時優(yōu)先搜索私有函數(shù)，所以如果同時存在私有函數(shù)名func1.m和非私有函數(shù)名func1.m，則私有函數(shù)func1.m被優(yōu)先執(zhí)行。創(chuàng)建私有函數(shù)的方法非常簡單，只要將那些需要設置為私有的函數(shù)都拷貝到一個private子目錄中，則這些函數(shù)就能被那些位于父層目錄中的M函數(shù)調(diào)用了。在表4中總結(jié)了子函數(shù)和私有函數(shù)的區(qū)別。表4私有函數(shù)和子函數(shù)比較例子20

私有函數(shù)的例子。創(chuàng)建一個新的函數(shù)文件，代碼如下：001 functionx=pmean(v,n)002 %MEAN私有函數(shù)例子003 %將該函數(shù)文件保存在pivae子目錄中，004 %則該函數(shù)僅能在上層目錄的函數(shù)文件005 %中調(diào)用006 disp('私有函數(shù)mean');007 x=sum(v)/n;圖3將pmean.m文件保存在private目錄下接著，修改newstats函數(shù)，并將其另存為newstats1.m。001 function[avg,med]=newstats1(u)%主函數(shù)002 %NEWSTATS計算均值和中間值003 n=length(u);004 avg=mean(u,n); %調(diào)用子函數(shù)005 avg1=pmean(u,n) %調(diào)用私有函數(shù)006 med=median(u,n); %調(diào)用子函數(shù)007 008 functiona=mean(v,n)%子函數(shù)009 %計算平均值010 disp('子函數(shù)mean');011 a=sum(v)/n;012 ......然后在MATLAB命令行中，執(zhí)行newstats1.m函數(shù)：>>newstats1(1:10);子函數(shù)meanavg= 5.5000私有函數(shù)meanavg1= 5.50004.4局部變量和全局變量同C語言類似，在M語言函數(shù)中也存在局部變量和全局變量。所謂局部變量，就是那些在M函數(shù)內(nèi)部聲明并使用的變量。這些變量僅能在函數(shù)調(diào)用執(zhí)行期間被使用，一旦函數(shù)結(jié)束運行，則這些變量占用的內(nèi)存空間將自動被釋放，變量的數(shù)值也就不存在了。這是由于MATLAB的解釋器在解釋執(zhí)行函數(shù)的時候，為不同的函數(shù)創(chuàng)建不同的工作空間，函數(shù)彼此的工作空間相互獨立，一旦函數(shù)執(zhí)行完畢，則函數(shù)的工作空間就不存在了。在本章前面的例子中，每個例子的函數(shù)內(nèi)部聲明使用的變量都是局部變量，所以函數(shù)執(zhí)行完畢后，MATLAB的基本工作空間中沒有這些變量存在，參見例子4-21。例子21

局部變量的例子。001 functionlocal002 %LOCAL察看局部變量的例子003 x=rand(2,2);004 y=zeros(2,2);005 z='函數(shù)中的變量';006 u={x,y,z};007 disp(z)008 whos

運行例子21，在MATLAB命令行中，鍵入下面的指令：>>local函數(shù)中的變量

Name SizeBytesClassu 1x3256cellarrayx 2x232doublearrayy 2x232doublearrayz 1x612chararrayGrandtotalis31elementsusing332bytes>>whos

通過運行l(wèi)ocal函數(shù)可以看到，所有在函數(shù)中創(chuàng)建的變量在函數(shù)運行結(jié)束后就不存在了。也就是說，局部變量的生存周期僅在函數(shù)的活動期間內(nèi)。與局部變量相對應的就是全局變量。MATLAB將全局變量保存在特殊的工作空間進行統(tǒng)一維護、管理，而將變量聲明為全局變量的方法就是在使用變量前，用關鍵字global聲明，例如聲明全局變量gXY：>>globalgXY>>whosName SizeBytesClass

gXY 0x00doublearray(global)Grandtotalis0elementsusing0bytes需要強調(diào)一點，MATLAB管理、維護全局變量和局部變量使用了不同的工作空間，所以使用global關鍵字創(chuàng)建全局變量的時候有三種情況：

(1)若聲明為全局的變量在當前的工作空間和全局工作空間都不存在，則創(chuàng)建一個新的變量，然后為這個變量賦值為空數(shù)組，該變量同時存在于局部工作空間和全局工作空間。

(2)若聲明為全局的變量已經(jīng)存在于全局工作空間中，則不會在全局工作空間創(chuàng)建新的變量，其數(shù)值同時賦值給局部工作空間中的變量。

(3)若聲明為全局的變量存在于局部工作空間中，而全局工作空間不存在，則系統(tǒng)會提示一個警告信息，同時將局部的變量“挪”到全局工作空間中。例子22

全局變量的例子。在MATLAB命令行窗口中，鍵入下面的指令：>>%創(chuàng)建全局變量并賦值>>globalmyx>>myx=10;>>%變量的信息>>whosNameSizeBytesClass

myx1x18doublearray(global)Grandtotalis1elementusing8bytes>>%清除變量>>clearmyx>>%察看信息>>whos>>whosglobalNameSizeBytesClass

myx1x18doublearray(global)Grandtotalis1elementusing8bytes>>%在局部工作空間再次創(chuàng)建變量>>myx=23myx=23>>%變量的信息>>whosNameSizeBytesClass

myx1x18doublearrayGrandtotalis1elementusing8bytes>>%將其修改為全局變量(注意警告信息)>>globalmyxWarning:Thevalueoflocalvariablesmayhavebeenchangedtomatchthe

globals.FutureversionsofMATLABwillrequirethatyoudeclareavariabletobeglobalbeforeyouusethatvariable.>>%看看變量的數(shù)值>>myxmyx=10>>%清除當前的工作空間>>clear>>whosglobalNameSizeBytesClass

myx1x18doublearray(global)Grandtotalis1elementusing8bytes>>%清除所有的內(nèi)存空間>>clearall>>whosglobal使用全局變量時，需要小心留意，因為全局變量可以在任何的函數(shù)中進行讀寫，這樣，可能在比較復雜的程序中查找全局變量錯誤的時候就非常的麻煩。在MATLAB中還有一類變量被聲明為persistent，本書將其稱之為保留變量，這類變量類似于C語言函數(shù)中被聲明為static類型的變量。這類變量在函數(shù)退出的時候不被釋放，當函數(shù)再一次被調(diào)用的時候，這些變量保留上次函數(shù)退出時的數(shù)值。被聲明為persistent的變量具有以下特征：*變量僅能在聲明變量的函數(shù)內(nèi)使用，其他函數(shù)不能直接使用這些變量。*函數(shù)執(zhí)行退出后，MATLAB不清除這些變量占用的內(nèi)存。*當函數(shù)被清除或者重新編輯后，保留的變量被清除。例子23persistent關鍵字。001 functiony=persistent_example(x)002 %PERSISTENT_EXAMPLE保留變量使用示例003 fori=1:x004 y=myfun;005 end006 007 functiony=myfun008 %子函數(shù)009 %persistent關鍵字的使用010 persistentcount;011 %count記錄函數(shù)調(diào)用的次數(shù)012 if(isempty(count))013 count=1;014 else015 count=count+1;016 end017 str=sprintf('第%d次調(diào)用該函數(shù)',count);018 disp(str);019 y=count;在MATLAB命令行窗口中，執(zhí)行該函數(shù)：>>persistent_example(2)第1次調(diào)用該函數(shù)第2次調(diào)用該函數(shù)ans=2>>persistent_example(3)第3次調(diào)用該函數(shù)第4次調(diào)用該函數(shù)第5次調(diào)用該函數(shù)ans=5從例子23的執(zhí)行情況可以看出變量count記錄了函數(shù)被調(diào)用的次數(shù)，如果在MATLAB命令行中鍵入如下指令：>>clearall則所有的變量都會被清除，此時再次執(zhí)行例子23：>>persistent_example(3)第1次調(diào)用該函數(shù)第2次調(diào)用該函數(shù)第3次調(diào)用該函數(shù)ans=3count數(shù)值又重新計數(shù)了。由于使用全局變量有這樣那樣的危險性，所以建議讀者盡量使用函數(shù)參數(shù)傳遞的方式來完成函數(shù)之間的數(shù)據(jù)共享，或者可以使用persistent關鍵字將必要的變量保護起來。另外，isglobal

命令可以用來測試本地變量與全局工作區(qū)中的變量是否存在聯(lián)系，該命令并不能判斷全局工作區(qū)中是否存在該變量。如果全局工作區(qū)中存在某個變量，但與本地工作區(qū)中的相應變量沒有聯(lián)系，isglobal函數(shù)返回值為0(假)。5M文件調(diào)試

M語言文件的編輯器——meditor不僅僅是一個文件編輯器，同時還是一個