如安在C++中优雅地绘制图表

在C++项目中，在进行一些数据分析时每每不够直观，若能借助图表进行分析可以到达事半功倍的效果，通常可以将数据写出到文本，再在excel或python上进行图表绘制和分析，那为什么不直接在像python一样，借助三方库进行图表绘制呢？以下将先容简单易行的方法，实验在C++中优雅地绘制图表（测试情况：Windows+VS2019）。
  

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matplotlib

   现实上是调用Python中的matplotlib提供的C++ API，无需编译，直接包罗头文件然后在C++中设置相应python情况就可以，对于认识python的同伴来说险些没有学习成本（其本身语法也很简单）。
  prepare

• 可访问github的网络
  
• git(非必须)
  
• python3(< 3.11)
  
• vs情况
  

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matplotlibcpp.h

有git的直接clone到本地：

1. git clone https://github.com/lava/matplotlib-cpp.git

复制代码

没有git可以下载代码或者直接在线复制 matplotlibcpp.h。
对 matplotlibcpp.h 作如下修改：
   新版的matplotlibcpp.h中支持了C++17语法，将其改回C++11，且有重界说，必要表明。
  将353行至356行代码用以下代码覆盖：

1. static_assert(sizeof(long long) == 8, "long type must occupy 8 bytes");
2. //template <> struct select_npy_type<long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_INT64; };
3. static_assert(sizeof(unsigned long long) == 8, "long type must occupy 8 bytes");
4. //template <> struct select_npy_type<unsigned long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_UINT64; };

复制代码

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python3

matplotlibcpp.h 语法与python3.11以上版本不兼容，报错如下：

1. 1>matpoltlibTest.cpp
2. 1>D:\Program Files\MatplotlibCpp\matplotlibcpp.h(174): error C4996: 'Py_SetProgramName': deprecated in 3.11
3. 1>d:\programdata\anaconda3\include\pylifecycle.h(37): note: 参见“Py_SetProgramName”的声明
4. 1>D:\Program Files\MatplotlibCpp\matplotlibcpp.h(182): error C4996: 'PySys_SetArgv': deprecated in 3.11
5. 1>d:\programdata\anaconda3\include\sysmodule.h(13): note: 参见“PySys_SetArgv”的声明

复制代码

利用3.11以下的python版本即可，这里我创建一个新的假造情况：

1. (base)>conda create -n Env310 python=3.10.16
2. (base)>conda activate Env310
3. (Env310)>conda install matplotlib numpy

复制代码

将 复制到 D:\Program Files\MatplotlibCpp 下（非必须）。

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vs configure

创建一个vs项目，切换为Release x64平台，在属性管理器的【Release | 64】下中新增一个属性表：

双击该属性表，开始设置：
【通用属性】-【VC++目录】-【包罗目录】添加：

1. D:\Program Files\MatplotlibCpp
2. D:\ProgramData\anaconda3\envs\Env310
4. \include
5. D:\ProgramData\anaconda3\envs\Env310
7. \Lib\site-packages\numpy\_core\include

复制代码

注意：不同版本的numpy包罗目录地点路径可能不同，可通过以下代码确定：

1. import numpy
2. print(numpy.get_include())

复制代码

【通用属性】-【VC++目录】-【库目录】添加：

1. D:\ProgramData\anaconda3\envs\Env310
3. \libs

复制代码

【通用属性】-【链接器】-【常规】-【附加库目录】添加：

1. D:\ProgramData\anaconda3\envs\Env310

复制代码

【通用属性】-【链接器】-【输入】-【附加依赖项】添加：

1. python3.lib

复制代码

保存属性表，在解决方案管理器中右击，更改属性：
【设置属性】-【调试】-【工作目录】更改为：

1. D:\ProgramData\anaconda3\envs\Env310

复制代码

test

添加C++测试代码，如：

1. #include <cmath>
2. #include "matplotlibcpp.h"
4. namespace plt = matplotlibcpp;
6. #define M_PI 3.141592653589793238432643
8. int main()
9. {
10.     // Prepare data.
11.     int n = 5000; // number of data points
12.         std::vector<double> x(n), y(n);
13.     for (int i = 0; i < n; ++i)
14.     {
15.         double t = 2 * M_PI * i / n;
16.         x.at(i) = 16 * sin(t) * sin(t) * sin(t);
17.         y.at(i) = 13 * cos(t) - 5 * cos(2 * t) - 2 * cos(3 * t) - cos(4 * t);
18.     }
20.     // plot() takes an arbitrary number of (x,y,format)-triples.
21.     // x must be iterable (that is, anything providing begin(x) and end(x)),
22.     // y must either be callable (providing operator() const) or iterable.
23.     plt::plot(x, y, "r-", x, [](double d)
24.         {
25.             return 12.5 + abs(sin(d));
26.         }, "k-");
28.     // show plots
29.     plt::show();
30. }

复制代码

运行，可得图片如下，设置完成。

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Gnuplot

   雷同matplotlib，先安装gnuplot本体，然后通过C++API调用库，不同的是其可通过下令在终端中利用，必要一定学习成本。
  prepare

• 可访问github的网络
  
• git(非必须)
  
• boost
  
• vs情况
  

gnuplot

在官网 可找到最新稳固版下载页面，下载编译好的二进制文件。

解压后长这个样子：

在bin文件夹下双击打开gnupolt.exe，输入测试代码如下：

1. plot [-6:6] [-3:3] sin(x),cos(x)

复制代码

可得：

将整个gunplot文件夹剪切至D:\Program Files\下，并重命名为Gnuplot（个人喜好），然后将D:\Program Files\Gnuplot\bin添加至系统情况变量Path中，通过重启或者其他方式确保情况变量生效（打开任意终端，输入gunplot未报错即可）。

那么同样可以在c++代码中调用该exe：

1. #include <stdio.h>
3. void main()
4. {
5.         FILE* pipe = _popen("gnuplot", "w");
6.         if (pipe == NULL)
7.         {
8.                 exit(-1);
9.         }
11.         fprintf(pipe, "set terminal wxt size 600, 400\n");
12.         fprintf(pipe, "unset border\n");
13.         fprintf(pipe, "set dummy u, v\n");
14.         fprintf(pipe, "set angles degrees\n");
15.         fprintf(pipe, "set parametric\n");
16.         fprintf(pipe, "set view 60, 136, 1.22, 1.26\n");
17.         fprintf(pipe, "set samples 64, 64\n");
18.         fprintf(pipe, "set isosamples 13, 13\n");
19.         fprintf(pipe, "set mapping spherical\n");
20.         fprintf(pipe, "set style data lines\n");
21.         fprintf(pipe, "unset xtics\n");
22.         fprintf(pipe, "unset ytics\n");
23.         fprintf(pipe, "unset ztics\n");
24.         fprintf(pipe, "set title 'Labels colored by GeV plotted in spherical coordinate system'\n");
25.         fprintf(pipe, "set urange [ -90.0000 : 90.0000 ] noreverse nowriteback\n");
26.         fprintf(pipe, "set vrange [ 0.00000 : 360.000 ] noreverse nowriteback\n");
27.         fprintf(pipe, "set xrange [ * : * ] noreverse writeback\n");
28.         fprintf(pipe, "set x2range [ * : * ] noreverse writeback\n");
29.         fprintf(pipe, "set yrange [ * : * ] noreverse writeback\n");
30.         fprintf(pipe, "set y2range [ * : * ] noreverse writeback\n");
31.         fprintf(pipe, "set zrange [ * : * ] noreverse writeback\n");
32.         fprintf(pipe, "set cblabel 'GeV'\n");
33.         fprintf(pipe, "set cbrange [ 0.00000 : 8.00000 ] noreverse nowriteback\n");
34.         fprintf(pipe, "set rrange [ * : * ] noreverse writeback\n");
35.         fprintf(pipe, "set colorbox user\n");
36.         fprintf(pipe, "set colorbox vertical origin screen 0.9, 0.2 size screen 0.02, 0.75 front  noinvert bdefault\n");
37.         fprintf(pipe, "NO_ANIMATION = 1\n");
38.         fprintf(pipe, "splot cos(u)*cos(v),cos(u)*sin(v),sin(u) notitle with lines lt 5\n");
39.         fprintf(pipe, "pause mouse\n");
40.         _pclose(pipe);
41. }

复制代码

结果如下：

但是，以这种方式，如果要批量绘制自界说的数据，仍必要先存数据为文本，然后再读取，这不是我想要的直接绘制的效果。但是不慌，再做一些简单设置就可以实现了。

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gnuplot-iostream.h

有git的直接clone到本地

1. git clone https://github.com/dstahlke/gnuplot-iostream.git

复制代码

没有git可以下载代码或者直接在线复制 gnuplot-iostream.h
对 gnuplot-iostream.h 作如下修改
   新版的gnuplot-iostream.h中支持了C++17语法，将其改回C++11，跟上面的matplotlibcpp.h是同样类型的改动
  168-169行：

1. static_assert( is_like_stl_container<std::vector<int>>);
2. static_assert(!is_like_stl_container<int>);

复制代码

改为：

1. static_assert(is_like_stl_container<std::vector<int>>, "Should be STL-like container");
2. static_assert(!is_like_stl_container<int>, "int is not STL-like container");

复制代码

186行：

1. static_assert(is_boost_tuple_nulltype<boost::tuples::null_type>);

复制代码

改为：

1. static_assert(is_boost_tuple_nulltype<boost::tuples::null_type>, "Should be boost null type");

复制代码

197-200行：

1. static_assert( is_boost_tuple<boost::tuple<int>>);
2. static_assert( is_boost_tuple<boost::tuple<int, int>>);
3. static_assert(!is_boost_tuple<std::tuple<int>>);
4. static_assert(!is_boost_tuple<std::tuple<int, int>>);

复制代码

改为：

1. static_assert(is_boost_tuple<boost::tuple<int>>, "Should be boost::tuple");
2. static_assert(is_boost_tuple<boost::tuple<int, int>>, "Should be boost::tuple");
3. static_assert(!is_boost_tuple<std::tuple<int>>, "std::tuple is not boost::tuple");
4. static_assert(!is_boost_tuple<std::tuple<int, int>>, "std::tuple is not boost::tuple");

复制代码

2436-2437行

1. static_assert( is_eigen_matrix<Eigen::MatrixXf>);
2. static_assert(!is_eigen_matrix<int>);

复制代码

改为

1. static_assert(is_eigen_matrix<Eigen::MatrixXf>, "Should be Eigen::Matrix");
2. static_assert(!is_eigen_matrix<int>, "int is not an Eigen::Matrix");

复制代码

2442行

1. static_assert(dont_treat_as_stl_container<Eigen::MatrixXf>);

复制代码

改为

1. static_assert(dont_treat_as_stl_container<Eigen::MatrixXf>, "Eigen::Matrix should not be treated as an STL container");

复制代码

然后在上述gnuplot的安装目录D:\Program Files\Gnuplot下新建include文件夹，将改动后的gnuplot-iostream.h拷贝过去。
boost

   由于gnuplot的C++调用必要boost支持，这里也先容一下boost的设置，因为有预编译好的库，所以也比较easy。
  在boost官网的下载页面找到预编译好的Windows库：

根据所需情况选择对应版本。

这里我根据本身的情况选择较早的1.80.0 VS140版（注意和本身的情况对应）。

双击运行：

更改安装目录：

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vs configure

创建一个vs项目，切换为Release x64平台，在属性中将【平台工具集】改为Visual Studio 2015 (v140)，在属性管理器的【Release | 64】下中新增一个属性表【Gnupolt_Release_x64.props】
双击该属性表，开始设置
【通用属性】-【VC++目录】-【包罗目录】添加：

1. D:\Program Files\Gnuplot\include
2. D:\Program Files\boost_1_80_0\boost

复制代码

【通用属性】-【VC++目录】-【库目录】添加：

1. D:\Program Files\boost_1_80_0\lib64-msvc-14.0

复制代码

应用，保存属性表。

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test

添加C++测试代码，如：

2. #include <cmath>
3. #include <vector>
4. #include <gnuplot-iostream.h>
6. #define M_PI 3.141592653589793238432643
8. int main()
9. {
10.     // 初始化 Gnuplot 对象
11.     Gnuplot gp;
13.     // 设置标题和样式
14.     gp << "set title 'Sharper Heart Shape'\n";
15.     gp << "set size ratio -1\n"; // 确保 x 和 y 轴比例一致
16.     gp << "set nokey\n";         // 不显示图例
17.     gp << "set samples 1000\n";  // 增加采样点使曲线更平滑
18.     gp << "set xrange [-20:20]\n"; // 设置 x 轴范围
19.     gp << "set yrange [-20:20]\n"; // 设置 y 轴范围
21.     // 定义参数化方程的数据点
22.     std::vector<std::pair<double, double>> points;
23.     const int num_points = 1000; // 数据点数量
24.     for (int i = 0; i <= num_points; ++i)
25.     {
26.         double t = 2 * M_PI * i / num_points; // 参数 t 从 0 到 2π
27.         double x = 16 * pow(sin(t), 3);      // 使用新的 x 方程
28.         double y = (13 * cos(t) - 5 * cos(2 * t) - 2 * cos(3 * t) - cos(4 * t)); // 使用新的 y 方程
29.         points.emplace_back(x, y);
30.     }
32.     // 绘制爱心形状
33.     gp << "plot '-' with lines lc rgb 'red' lw 2 title 'Heart'\n";
34.     for (const auto& point : points)
35.     {
36.         gp << point.first << " " << point.second << "\n";
37.     }
38.     gp << "e\n"; // 结束数据流
40.     return 0;
41. }

复制代码

运行，可得图片如下，设置完成。

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MathGL

   必要特定的情况和复杂的设置，其发布的库也是Linux平台下的，在Windows必要和其他依赖库一起重新编译。
  同样在官网找到最新版下载入口，这里有两个版本，我两个版本都下载并设置了，很不幸都在测试阶段报错了，要么缺少头文件要么缺依赖库。固然可以拿源码本身重新cmake，但其必要依赖其他可视化库（背离了简单易行的初衷），本着世上无难事只要肯放弃的精神，停息MathGL的测试。

测试代码：

1. #include <mgl2/mgl.h>
3. int main()
4. {
5.         mglGraph gr;
6.         gr.SetRange('x', -1, 1);
7.         gr.SetRange('y', -1, 1);
8.         gr.Axis();
9.         gr.FPlot("sin(1.7*2*pi*x) + sin(1.9*2*pi*x)", "r-2");
10.         gr.WriteFrame("test.png");
11.         return 0;
12. }

复制代码

mathgl-8.0.3-ucrt64 报错：

1. 1>D:\Program Files\MathGL2\include\mgl2\data_cf.h(26,10): fatal error C1083: 无法打开包括文件: “gsl/gsl_vector.h”: No such file or directory

复制代码

mathgl-8.0.3.LGPL-ucrt64 报错：

1. 1>D:\Program Files\MathGL2\include\mgl2\data.h(27,10): fatal error C1083: 无法打开包括文件: “armadillo”: No such file or directory

复制代码

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打完收工。