加速MATLAB算法和应用

本文介绍了可以用于加速MATLAB的技术^®算法和应用程序。主题包括:

评估代码性能
 采用高效的串行编程实践
 使用系统对象
 在多核处理器和GPU上执行并行计算
 生成C代码

每一节重点介绍一种特定的技术，描述底层的加速技术，并解释何时最适用。您的编程专业知识、希望加速的算法类型以及可用的硬件可以帮助指导您选择技术¹．

评估代码的性能

在修改代码之前，您需要确定您的工作重点。支持这一过程的两个关键工具是代码分析器和MA金宝appTLAB分析器。在编写代码时，MATLAB编辑器中的代码分析器会检查代码。代码分析器识别潜在的问题，并建议进行修改，以最大限度地提高性能和可维护性(图1)。代码分析器报告可以在整个文件夹上运行，使您能够在单个文档中查看针对一组文件的所有代码分析器建议。

Profiler显示您的代码在哪里度过它的时间。它提供了一份报告总结了代码的执行，包括调用所有函数的列表，调用每个函数的次数，以及每个函数内所花费的总时间（图2）。Profiler还提供有关每个功能的时序信息，例如哪条代码使用最多的处理时间。

一旦确定了瓶颈，您可以专注于改善这些特定代码部分性能的方法。当您实施优化和技术来加速算法时，Profiler可以帮助您衡量改进。

采用高效的串行编程实践

在考虑并行计算、代码生成或其他方法之前，优化串行代码的性能通常是一个很好的实践。有两种有效的编程技术可以加速你的MATLAB代码预先分配和矢量化．

使用preLocation，使用该数组所需的最终大小初始化数组。prelocation帮助您避免动态调整阵列，特别是当代码包含时为了和尽管循环。由于MATLAB中的数组保存在连续的内存块中，重复调整数组大小通常需要MATLAB花费时间寻找更大的连续内存块，然后将数组移动到这些块中。通过预分配数组，可以避免这些不必要的内存操作，并提高总体执行时间。

矢量化是将代码转换为使用矩阵和矢量操作的代码。MATLAB使用处理器优化的库进行矩阵和矢量计算。因此，您通常可以通过将代码传染措施来提高性能。

使用更大阵列的矢量化MATLAB计算可能是使用GPU加速的好选择。在这种情况下,为了-loops不能被向量化，通常可以使用parallel为了-环形（parfor）或C代码生成，以加速算法。有关这些技术的更多详细信息，请参阅并行计算和生成C代码的部分。

学习更多关于分析，预先分配，矢量化，和其他串行技术提高性能。

利用系统对象利用优化的算法

您可以使用系统对象™在很大程度上在信号处理和通信领域加速MATLAB代码。系统对象是MATLAB面向对象的算法实现系统工具箱，包括通信系统工具箱™和DSP系统工具箱™．通过使用System对象，可以将声明(System对象创建)与在System对象中找到的算法的执行解耦。这种解耦可以产生更有效的基于循环的计算，因为它只允许执行一次参数处理和初始化。您可以在循环外部创建和配置System对象的实例，然后在循环内部调用step方法来执行它。

DSP系统工具箱和通信系统工具箱中的大多数系统对象都以MATLAB可执行文件实现（mex files）。此实现可以加速模拟，因为许多算法优化包含在对象的MEX实现中。有关MATLAB生成C代码的部分，有关MEX文件的更多详细信息。

学习更多关于使用System对象进行流处理，创建自己的系统对象，和模拟信号处理算法在MATLAB中使用System对象。

执行并行计算

到目前为止所描述的技术侧重于优化串行MATLAB代码的方法。您还可以通过使用额外的计算能力来获得性能改进。MATLAB并行计算产品提供计算技术，让您利用多核处下载188bet金宝搏理器，计算机集群和GPU。

使用Matlab Workers在多核处理器和集群上

并行计算工具箱™允许您在台式电机上运行多个MATLAB工人（MATLAB计算引擎）。您可以通过划分这些工人的计算来加速您的应用程序。这种方法使您可以更好地控制并行性，而不是在MATLAB中找到的内置多线程。它通常用于较粗糙的粒度问题，例如参数扫描和蒙特卡罗模拟。有关更高的加速，可以使用MATLAB并行服务器将使用MATLAB工作者的并行应用程序缩放到计算机群集或云™．

几个工具箱，包括优化工具箱™和统计和机器学习工具箱™，提供可以利用多工作方行的算法来加速您的计算²．在大多数情况下，您可以通过简单地打开一个选项来使用并行算法。例如，要运行fmincon并行优化工具箱中，您将“始终”的“使用指定”选项设置为“始终”。

并行计算工具箱提供高级编程构造，例如parfor．使用parfor你可以加速为了- 通过划分循环迭代来在多个MATLAB工人划分的循环迭代中划分MATLAB代码（图3）。

使用parfor，循环迭代必须是独立的，没有迭代依赖于任何其他迭代。为了加速依赖或基于状态的循环，您可以重新排序计算，以使循环变为顺序无关。或者，您可以将包含的外循环并行化为了-环形。如果这些选项不可行，可以优化身体为了-loop或考虑生成C代码。

通过在客户端和Matlab工人之间传输数据parfor循环，您会产生沟通成本。这意味着使用可能没有有利parfor当你只有少量的简单计算时。如果是这种情况，请将重点放在并行化外部为了-loop包含更简单的为了-环形。

的批命令可用于在Matlab Workers跨Matlab工人分发独立计算，以便脱机处理作为批处理作业。当这些计算需要很长时间运行时，这种方法特别有用，并且您需要释放您的桌面MATLAB以进行其他工作。

使用GPU.

图形处理单元(graphics progressive unit, gpu)最初用于加速图形渲染，也可应用于信号处理、计算金融、能源生产等领域的科学计算。

您可以直接从MATLAB执行NVIDIA GPU上的计算。FFT，IFFT和线性代数操作是100多个内置MATLAB函数，可以直接在GPU上执行。这些重载的功能在GPU或CPU上运行，具体取决于传递给它们的参数的数据类型。当给定GPUARRAY的输入参数（并行计算工具箱提供的特殊数组类型）时，这些功能将自动在GPU上运行（图4）。几个工具箱，包括通信系统工具箱和信号处理工具箱™，还提供GPU加速算法。

两个经验法则将确保您的计算密集型问题是一个很好的适合GPU。首先，当所有的内核都处于忙碌状态时，利用GPU固有的并行特性，你会看到GPU的最佳性能。在更大的数组和支持gpu的工具箱函数上使用向量化MATLAB计算的代码就属于这一类。其次，应用程序在GPU上运行所需的时间应该远远超过应用程序执行期间在CPU和GPU之间传输数据所需的时间。

为了更高级使用GPU，如果您熟悉CUDA编程，您可以直接从MATLAB运行基于CUDA的GPU内核。然后，您可以使用MATLAB中的数据分析和可视化功能，同时更直接控制GPU算法。

从MATLAB代码生成C代码

用自动生成的MATLAB可执行文件(MEX-function)替换部分MATLAB代码可以提高速度。使用MATLAB编码器™，您可以生成可读和便携式的C代码并将其编译为替换MATLAB算法的等效部分的MEX函数（图5）。您还可以通过生成MEX函数来利用多核处理器parfor结构体。

所实现的加速量取决于算法的性质。确定加速度的最佳方法是使用MATLAB编码器生成MEX函数并测试加速第一手。如果您的算法包含单精度数据类型，定点数据类型，带有状态的循环，或无法矢量的代码，您可能会看到加速。另一方面，如果您的算法包含MATLAB隐式多线程计算，例如FFT.和圣言会，调用IPP或BLAS库的功能，在PC上的MATLAB上执行的功能，如FFT，或者可以将代码保持一致，加速度不太可能。尝试matlab编码器，遵循最佳实践对于C代码生成，并咨询MATHWORKS技术专家以找到通过这种方法加速您的算法的最佳方法。

很多MATLAB语言和一些工具箱都支持代码生成。金宝appMATLAB Coder提供了自动工具来帮助您评估算法的代码生成准备情况，并指导您完成c代码生成的步骤(图6)。