管道与FIFO的技术解析及系统调用详解

1. 管道（Pipe）与FIFO概述

管道是Linux进程间通信（IPC）的核心机制之一，分为匿名管道（pipe）和命名管道（FIFO）。两者的本质差异在于：
• 匿名管道：仅适用于有亲缘关系的进程（如父子进程），通过文件描述符传递实现通信。
• 命名管道（FIFO）：通过文件系统路径标识，允许任意进程（无需亲缘关系）访问，具备持久化特性。

2. 匿名管道相关系统调用

2.1 pipe() - 创建匿名管道

功能描述

在内核中创建一块缓冲区，返回两个文件描述符，分别对应管道的读端和写端。

函数声明

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

参数解析

• pipefd[2]：整型数组，用于存储管道的读端和写端文件描述符：
• pipefd[0]：读端描述符，用于从管道读取数据。
• pipefd[1]：写端描述符，用于向管道写入数据。

返回值

• 成功：返回0，文件描述符写入pipefd。
• 失败：返回-1，并设置errno（如EMFILE表示进程文件描述符耗尽）。

3. 命名管道（FIFO）相关系统调用

3.1 mkfifo() - 创建命名管道

功能描述

在文件系统中创建一个FIFO特殊文件，作为进程间通信的通道。

函数声明

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

参数解析

• pathname：FIFO文件的路径名，需保证路径唯一性。
• mode：文件权限模式（八进制掩码），常用宏定义：
• S_IRUSR：用户读权限（0400）
• S_IWUSR：用户写权限（0200）
• S_IRGRP：组读权限（0040）
• 组合示例：0666表示所有用户可读写。

返回值

• 成功：返回0。
• 失败：返回-1，并设置errno（如EEXIST表示文件已存在）。

3.2 open() - 打开FIFO文件

功能描述

打开已存在的FIFO文件，返回文件描述符用于后续读写操作。

函数声明

#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);

参数解析

• pathname：FIFO文件路径。
• flags：打开模式标志（位掩码），常用选项：
• O_RDONLY：只读模式。
• O_WRONLY：只写模式。
• O_NONBLOCK：非阻塞模式（默认阻塞）：

◦ 读端未打开时，写操作返回`ENXIO`错误。
◦ 写端未打开时，读操作立即返回`0`。

返回值

• 成功：返回文件描述符（非负整数）。
• 失败：返回-1，并设置errno（如ENOENT表示路径不存在）。

4. 通用读写操作

4.1 read() - 从管道/FIFO读取数据

函数声明

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数解析

• fd：文件描述符（管道读端或FIFO描述符）。
• buf：用户缓冲区指针，用于存储读取的数据。
• count：请求读取的字节数。

返回值

• 成功：返回实际读取的字节数（可能小于count）。
• 失败：返回-1，并设置errno（如EAGAIN表示非阻塞模式下无数据）。

4.2 write() - 向管道/FIFO写入数据

函数声明

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数解析

• fd：文件描述符（管道写端或FIFO描述符）。
• buf：待写入数据的缓冲区指针。
• count：请求写入的字节数。

返回值

• 成功：返回实际写入的字节数（可能小于count）。
• 失败：返回-1，并设置errno（如EPIPE表示读端已关闭）。

4.3 close() - 关闭文件描述符

函数声明

#include <unistd.h>
int close(int fd);

参数解析

• fd：待关闭的文件描述符。

返回值

• 成功：返回0。
• 失败：返回-1，并设置errno（如EBADF表示无效描述符）。

4.4 unlink() - 删除FIFO文件

函数声明

#include <unistd.h>
int unlink(const char *pathname);

参数解析

• pathname：FIFO文件路径。

返回值

• 成功：返回0。
• 失败：返回-1，并设置errno（如EACCES表示权限不足）。

5. 关键特性对比

6. 总结

管道与FIFO是Linux IPC的基础组件，理解其系统调用的参数及行为对开发可靠的进程间通信程序至关重要。开发时需特别注意阻塞/非阻塞模式选择、原子写入限制及资源泄漏预防（及时关闭描述符）。