Matlab 中编程技法分享

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技法分享

1. 尽量避免使用循环结构

MATLAB变量的基本类型是矩阵，当对矩阵的每个元素循环处理时，运算速度很慢。因此编程时应尽量把数组和矩阵看作一个整体来进行编程，而不是像其他的程序设计语言那样，使用循环结构对矩阵的元素循环进行处理。

利用MATLAB提供的用于矢量化操作的函数，把循环矢量化，这样既可以提高编程效率，也可以提高程序的执行效率。

下面给出一个循环的例子：

i=0; for n =0:0.1:100 i=i+1; y(i)=cos(n) end 

上述程序段把数组中的每个元素都进行函数值计算，这样会耗费大量的运算时间，我们可以把数组看作一个整体来处理，计算函数值，可以修改这个程序段如下。

n = 0:0.1:100; y = cos(n) 

通过使用MATLAB专门提供的测试程序运行时间的函数，可以发现，把数组看作一个整体，进行操作后，执行效率提高约300倍。

另外，在必须使用多重循环的情况下，建议在循环的外环执行循环次数少的，内环执行循环次数多的，这样也可以显著提高程序执行速度。

2. 在使用数组或矩阵之前先定义维数

MATLAB中的变量在使用之前不需要明确地定义和指定维数。

但当未预定义数组或矩阵的维数时，当需赋值的元素下标超出现有的维数时，MATLAB 就为该数组或矩阵扩维一次，这样就会大大降低程序的执行效率。

因此，在使用数组或矩阵之前，预定义维数可以提高程序的执行效率。

3. 对矩阵元素使用下标或者索引操作

在MATLAB中，矩阵元素的引用可用两个下标来表示。例如：

A(i,j) 表示矩阵的第i行第j列的元素； A(1:k,j)表示矩阵A的第j列的前k个元素； A(:,j) 表示矩阵的第j列的所有元素。 求矩阵A的第j列元素的平均值的表达式为mean(A(:,j))。 

4. 尽量多使用函数文件少使用脚本文件

因为每次调用MATLAB的脚本文件都需要将不必要的中间变量加载到内存中，每执行一次，就加载一次。

函数在调用时被编译成了伪代码，只需要加载到内存一次。当多次调用同一个函数时会运行快一些。

因此尽量多使用函数文件而少使用脚本文件，也是提高执行效率的一种方法。

5. 在必须使用循环时，可以考虑转换为C-MEX

当必须使用耗时的循环时，可以考虑将循环体中的语句转换为C-MEX。

C-MEX是将M文件通过MATLAB 的编译器转换为可执行文件，是按照 MEX 技术要求的格式编写相应的程序，通过编译连接，生成扩展名为.dll的动态链接库文件，可以在MATLAB环境下直接执行。

这样，循环体中的语句在执行时不必每次都解释(interpret)。一般来说，C-MEX 文件的执行速度是相同功能的M文件执行速率的20~40倍。

编写C-MEX不同于M文件，需要了解MATLAB C-MEX规范。幸运的是MATLAB提供了将M文件转换为C-MEX的工具。

6. 内存优化

MATLAB在进行复杂的运算时需要占用大量的内存。

合理使用内存和提高内存的使用效率，可以加快运行速度，减少系统资源的占用。

7. 内存管理函数和命令

● Clear variablename：从内存中删除名称为variablename的变量。

● Clear all：从内存中删除所有的变量。

● Save：将指令的变量存入磁盘。

● Load：将save命令存入的变量载入内存。

● Quit：退出MATLAB，并释放所有分配的内存。

● Pack：把内存中的变量存入磁盘，再用内存中的连续空间载回这些变量。考虑到执行效率问题，不能在循环中使用。

8. 节约内存的方法

● 避免生成大的中间变量，并删除不再需要的临时变量。

● 当使用大的矩阵变量时，预先指定维数并分配好内存，避免每次临时扩充维数。

● 当程序需要生成大量变量数据时，可以考虑定期将变量写到磁盘，然后清除这些变量。当需要这些变量时，再重新从磁盘加载。

● 当矩阵中数据极少时，将全矩阵转换为稀疏矩阵。

函数式编程

函数式编程是一种编程范式，它强调使用纯函数、不可变数据和高阶函数来构建应用程序。在函数式编程中，我们避免使用副作用和可变状态，而是通过函数来处理数据。以下是一些常见的函数式编程技巧和方法，用于替代传统的循环和条件判断：

1. 使用map替代for循环： map函数接受一个函数和一个数组，返回一个新数组，其中的元素是原始数组元素应用给定函数的结果。 // 传统for循环
   let numbers = [1, 2, 3, 4];
   let squaredNumbers = [];
   for (let i = 0; i < numbers.length; i++) {
   squaredNumbers.push(numbers[i] * numbers[i]);
   }

   // 函数式编程中的map
   let squaredNumbersFunctional = numbers.map(x => x * x);

2. 使用reduce进行累加或聚合操作： reduce函数接受一个累加器函数和一个初始值，将数组中的所有元素减少到单个值。 // 传统for循环累加
   let sum = 0;
   for (let i = 0; i < numbers.length; i++) {
   sum += numbers[i];
   }

   // 函数式编程中的reduce
   let sumFunctional = numbers.reduce((accumulator, currentValue) => accumulator + currentValue, 0);

3. 使用filter进行条件筛选： filter函数接受一个测试函数和一个数组，返回所有使得测试函数返回true的元素组成的新数组。 // 传统for循环筛选
   let evenNumbers = [];
   for (let i = 0; i < numbers.length; i++) {
   if (numbers[i] % 2 === 0) {
   evenNumbers.push(numbers[i]);
   }
   }

   // 函数式编程中的filter
   let evenNumbersFunctional = numbers.filter(x => x % 2 === 0);

4. 使用find或findIndex寻找满足条件的第一个元素： find返回数组中满足提供的测试函数的第一个元素的值。如果没有这样的元素，则返回undefined。 // 传统for循环查找
   let firstEvenNumber;
   for (let i = 0; i < numbers.length; i++) {
   if (numbers[i] % 2 === 0) {
   firstEvenNumber = numbers[i];
   break;
   }
   }

   // 函数式编程中的find
   let firstEvenNumberFunctional = numbers.find(x => x % 2 === 0);

5. 使用some或every进行条件检查： some测试数组中是否至少有一个元素满足提供的测试函数。every测试数组中的所有元素是否都满足提供的测试函数。 // 传统if else检查
   if (numbers.some(x => x > 10)) {
   console.log(“At least one number is greater than 10.”);
   }

   // 函数式编程中的some
   numbers.some(x => x > 10) && console.log(“At least one number is greater than 10.”);

6. 使用compose和pipe进行函数组合： compose和pipe允许你将多个函数组合成一个函数，从而减少嵌套和提高可读性。 // 函数组合
   const squareAndAddOne = R.pipe(
   R.map(R.add(1)),
   R.map(R.multiply(2))
   );

   squareAndAddOne([1, 2, 3]); // [4, 6, 8]

7. 使用switch替代多个if else分支： 虽然switch不是函数式编程特有的，但在某些情况下，它可以替代多个if else分支，使代码更加清晰。 // 传统if else分支
   if (condition) {
   // do something
   } else if (anotherCondition) {
   // do something else
   } else {
   // default case
   }

   // 使用switch
   switch (condition) {
   case ‘case1’:
   // do something
   break;
   case ‘case2’:
   // do something else
   break;
   default:
   // default case
   break;
   }

请注意，这些方法在不同的编程语言中可能有不同的实现方式，但核心思想是相同的。在JavaScript中，你可以使用Ramda库或Lodash库等来实现这些函数式编程模式。在其他语言中，如Haskell或Scala，函数式编程是内置的，并且有更多内置的函数式编程特性。

参考资料

[1]

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