基于COM STA线程模型的Delphi与Matlab混合编程研究

摘要：针对传统的基于COM的Matlab与Delphi混合编程技术，界面容易出现冻结现象，详细讨论了其出现的原因，提出了一种基于COM STA线程模型的改进的混合编程方法，并以一信号包络提取为例给出了改进方法的具体实现。

关键词：Delphi；Matlab；混合编程；COM；单线程套间

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）12-2912-04

Delphi是一种基于Object Pascal语言的快速可视化开发工具，对于程序开发人员来讲，使用Delphi开发应用软件，将会极大地提高编程效率，但若直接利用Delphi开发一些复杂算法特别是科学计算，其效率并不会很高。Matlab作为一种高性能数值计算软件，提供了强大的数值分析、矩阵运算和图形显示等功能，被广泛应用于工程计算、数值分析、系统仿真等领域，但由于Matlab是一种解释型编程语言，执行效率低，程序界面开发能力差。如果将Delphi与Matlab相结合，将会克服彼此缺点，高效地完成编程任务。

Delphi和Matlab混合编程的常用方法有多种[1-3]，其中基于COM组件技术的编程方法得到了广泛关注[4-5]。这种方法是利用Matlab提供的COM Builder工具将编写好的M文件编译生成DLL库，之后供Delphi调用，该方法可以脱离Matlab环境，因而极大的方便了应用程序的发布。但其也有缺点，其中之一是在应用程序中调用DLL库时容易出现用户界面冻结，使用户以为程序失去响应。为此，该文对此进行研究，提出一种基于COM STA线程模型的改进方法。

1 相关技术

1.1 COM组件

COM即组件对象模型（Componet Object Model， COM），是一种以组件为发布单元的对象模型，该模型使各应用程序组件可以用一种统一的方式进行通讯。

在COM标准中，COM对象被完美地封装起来，客户无法访问对象的实现细节，提供给用户的唯一访问途径是通过COM接口来实现。COM接口有两方面的含义：其一，它是一组可供调用的函数，客户可以让该对象做某些事情；其二，接口是组件及其客户程序之间的协议。使用COM编程实现了与编程语言无关的软件重用。

1.2 基于COM组件实现Delphi与Matlab混合编程

传统的基于COM组件实现的Delphi与Matlab混合编程[4-5]，其第一步是编写M文件，之后在Matlab环境下输入命令comtool，启动Matlab COM Builder，设置好相关参数并添加好M文件后，就可以编译生成相应的COM组件，并将该COM组件注册到Windows的注册表中，最后在Delphi中直接调用该COM组件，实现混合编程。但这种方法基于的是单线程技术，所开发的应用程序在运行过程中容易出现界面冻结。原因分析如下：

假设有一个利用Matlab实现的COM服务器，MatrixServer，该服务器提供有一种方法Mul，功能是实现矩阵相乘运算。

IMatrix = interface

procedure Mul；

end；

假设该服务器同通常的应用程序一样，采用的是单线程技术。考虑3个客户（C1，C2，C3），每一客户都创建一个Matrix实例MatrixServer。这3个客户都si9MTIjjnM8zi+NTGBUJhg==同时调用IMatrix.Mul（假定第一个是C1，随后是C2，接着C3）。由于MatrixServer是单线程的，其只能按顺序一个一个执行命令，因此首先处理C1，然后C2，最后处理C3。

由于利用Matlab实现的大多是一些复杂的科学计算工作，其执行过程将花费较多的时间。假设执行完毕C1和C2各需要一分钟时间，那么最后完成C3工作将至少需要3分钟时间。这是因为C3必须等待C1和C2完成之后才能进行。这样就出现界面冻结。

1.3 COM线程模型

1.3.1 套间

“套间”是指存放一组对象的地方，该组对象共享相同的线程行为和要求。COM线程模型包括单线程套间STA、多线程套间MTA和中性套间（Neutral Apartment）。一个进程可以有多个STA，但最多只能有一个MTA。

1.3.2 单线程套间STA

STA是COM线程模型中一个重要的概念。在一个STA中，有且只有一个线程，驻留在该STA中的所有对象都服务于该线程。由于STA中仅有一个线程，因而被默认序列化，无需考虑多线程编程中的同步问题[7]，如图1所示。

由于一个STA包含一个线程，多个STA包含多个线程，因而可以利用创建多个STA在一个服务中实现多线程。

假设在C1、C2、C3调用IMatrix.Mul时分别创建一个线程实例，这样C1、C2、C3将分别工作在服务线程T1、T2、T3上。这样C1、C2、C3三个客户可以同时调用IMatrix.Mul，而无需等待，从而可以消除界面冻结。图2所示为利用STA实现C1、C2、C3同时调用IMatrix.Mul。

在使用STA时需要注意的是，由于STA套间中所有的COM组件代码都运行于主STA（第一个调用CoInitialize函数的线程），如果主线程没有调用CoInitialize，那么第一个调用CoInitialize的工作线程就会成为主STA，而工作线程随时可能中止，这种情况下，一旦工作线程中止，主STA也就不复存在了，因此必须在主线程中调用CoInitialize初始化主STA。初始化STA也可以使用CoInitializeEx（nil，COINIT_APARTMENTTHREADED）函数，它与CoInitialize（nil）等效。

通过查阅Windows注册表键，由Matlab生成的COM组件，其线程模型ThreadingModel=Both，说明其既支持STA，也支持MTA。

2 利用STA线程模型实现Delphi调用COM组件

Delphi调用COM组件之前需要利用CoInitialize（nil）函数初始化COM组件，以便让COM知道如何同调用线程工作，最后需要调用CoUnInitialize函数关闭COM，卸载在该线程中已装载DLL，释放线程中使用的资源，以及关闭线程中所有打开的RPC连接。

假设有一个利用Matlab生成的COM组件signal.dll，在Delphi XE中调用该组件的方法如下：

1）打开Delphi XE集成开发环境，新建一个包，设该包名命名为signal，编译并安装该包，然后关闭该包；

2）选择Component→Import Component→Import a Type Library，出现Import Component对话框后，找到signal.dll，点击下一步，在Palette Page中选择ActiveX，再点击下一步，选择“Install to a Existing Package”，继续下一步，定位到在第（1）步中安装的包signal.bpl，单击完成，即可将signal.dll安装到Delphi XE中；

3）在所建的Delphi XE工程中，新建一个Thread Object文件，类名为TSignal，在该文件的Execute过程中输入以下代码：

FreeOnTerminate：=True；

try

CoInitialize（nil）；

调用Form1中的Signal1组件；

finally

CoUnInitialize；

end；

在Form1中Button1的OnClick事件中输入以下代码：

try

TSignal.Create（False）；

except

Application.MessageBox（'系统出现异常！'，'错误'）；

end；

通过以上四个步骤，就可以实现Delphi与Matlab混合编程，而且在执行COM组件所提供函数的同时，还可以进行其它的操作，而不会出现界面冻结。

3 应用实例

下面用一个实际例子说明如何利用COM STA线程模型实现Delphi和Matlab混合编程。该实例实现的是利用S变换提取信号包络。首先编写Matlab函数如下：

%输入参数：fName—文件名，Len—文件长度

%输出参数：wav—信号原始波形，stenv—基于S变换提取的信号包络

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）；

按照文献[4]介绍的方法，制作并注册COM组件。设组件名为TSignal，按上文介绍的方法将TSignal安装到Delphi IDE中。

在Delphi新建一个工程，在窗体上添加如下控件：一个Signal，一个Chart，两个Edit，两个Label，一个UpDown，五个Button，一个Timer，一个OpenDialog，一个AlWavePlayer，一个AlAudioOut，一个SlScope。设置UpDown控件的Associate属性为Edit1，Min=7000，Max=10000，设计的最终界面如图3所示。

新建一个Thread Object单元，单元名为Unit2，类名为TSt。在其Execute过程添加如下代码：

procedure TSt.Execute；

begin

FreeOnTerminate ：= True；

try

CoInitialize（nil）；

try

fStatusText ：= '信号分析—波形分析中，请稍候...'；

Synchronize（ShowStatus）； //在Form1.Caption中显示相关信息

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

except

Application.MessageBox（'系统出现异常！'，'错误'）

end；

finally

fStatusText ：= '信号分析—波形分析完成'；

Synchronize（ShowStatus）；

CoUnInitialize；

end；

end；

Unit1单元的部分代码如下：

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）；//传出COM的变体数据：原始波形

stenv ：= VarArrayCreate（[1， fLen]， VarDouble）；//传出COM的变体数据：st变换包络

try

Timer1.Enabled ：= True；

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

except

Application.MessageBox（'系统出现异常！'，'错误'）；

BtnExit.Enabled ：= True；

end；

end；

procedure TForm1.PlotWave；

var

WavData， EnvData ： array of double； //原始波形和信号包络

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，其余代码省略。

在Delhi IDE中编译、连接工程，运行效果如图3所示。点击“分析”按钮进行分析的同时，还可以执行其他操作，而不会出现界面冻结现象。

4 结束语

本文详细讨论了基于COM STA线程模型的Delphi和Matlab混合编程的实现方法。按照这种方法进行应用系统的开发，不仅可以充分利用Matlab强大的科学计算功能和Delphi灵活的可视化设计功能，而且开发出的系统在运行过程中不会出现界面冻结现象，避免给用户程序僵死的假象。采用这种方法可以提高软件性能，为科学研究和工程计算提供更强的技术支持。该文所介绍的应用实例在Windows XP、Delphi XE和Matlab 7环境下调试通过。

参考文献：

[1] 陈新.利用Delphi与Matlab进行科学计算的实现[J].四川兵工学报，2009，30（6）：117-118.

[2] 王艳丽.Delphi与Matlab混合编程的5种方法[J].菏泽学院学报，2006，28（2）：100-102.

[3] 蒋裕丰，何鲜峰，金永强.BP网络监测模型的Matlab&Delphi混合编程[J].水力发电，2008，34（1）：88-91.

[4] 姜银方，陈建希，李路娜.基于COM的Delphi和Matlab接口编程研究[J].计算机应用与软件，2008，25（2）：31-34.

[5] 吴小丽，丁维明，程力.Delphi动态调用Matlab COM组件实现二者混合编程[J].工业控制计算机，2011，24（3）：1-3.

[6] Binh Ly.Multithreading in COM[EB/OL][2010-12-28].http：//www.techvanguards.com/com/concepts/multithreading.asp.