所有高级语言的运行时（runtime）都提供了执行I/O功能的机制。
例如，C语言中提供了包含像printf()和scanf()等这样的标准I/O库函数， C++语言中提供了如 <<和>>这样的重载操作符。
从高级语言程序中通过I/O函数或I/O操作符提出I/O请求，到设备响应并完成I/O请求，涉及到多层次I/O软件和I/O硬件的协作。
I/O子系统和计算机系统一样也采用层次结构：封装+抽象+提供简单接口给上层使用。
I/O软件被组织成从高到低的四个层次，层次越低，则越接近设备而越远离用户程序。这四个层次依次为：
(1) 用户层I/O软件（I/O函数调用系统调用）
(2) 与设备无关的操作系统I/O软件 此层开始属于OS，OS在I/O系统中极其重要
(3) 设备驱动程序
(4) I/O中断处理程序
大部分I/O软件都属于操作系统内核态程序，最初的I/O请求在用户程序中提出。从用户I/O软件切换到内核I/O软件的唯一办法是异常机制——系统调用（自陷）
最下面的两个层次才会和硬件直接打交道。
OS在I/O子系统中的重要性由I/O系统以下三个特性决定：
（1）共享性：I/O系统被多个程序共享，须由OS对I/O资源统一调度管理，以保证用户程序只能访问自己有权访问的那部分I/O设备，并使系统的吞吐率达到最佳。
（2）复杂性：I/O设备控制细节复杂，需OS提供专门的驱动程序进行控制，这样可对用户程序屏蔽设备控制的细节。
（3）异步性：不同设备之间速度相差较大，因而，I/O设备与主机之间的信息交换使用异步的中断I/O方式，中断导致从用户态向内核态转移，因此必须由OS提供中断服务程序来处理。
因此，各类用户的I/O请求需要通过某种方式传给OS：
- 最终用户：键盘、鼠标通过操作界面传递给OS
- 用户程序：通过函数（高级语言）转换为系统调用传递给OS
系统调用（陷阱）是特殊异常事件，是OS为用户程序提供服务的手段。
OS提供一组系统调用，为用户进程的I/O请求进行具体的I/O操作：
用户软件可用以下两种方式提出I/O请求，最终都是调用系统调用。
（1）使用高级语言提供的标准I/O库函数。例如，在C语言程序中可以直接使用像fopen、fread、fwrite和fclose等文件操作函数，或printf、putc、scanf和getc等控制台I/O函数。 程序移植性很好。但是，使用标准I/O库函数有以下几个方面的不足：
- 标准I/O库函数不能保证文件的安全性（无加/解锁机制）
- 所有I/O都是同步的，只能串行执行，程序必须等待I/O操作完成后才能继续执行
- 有些I/O功能不适合甚至无法使用标准I/O库函数实现，如，不提供读取文件元数据（文件大小和文件创建时间等）的函数
- 用它进行网络编程会造成易于出现缓冲区溢出等风险
（2）使用OS提供的API函数或系统调用。例如，在Windows中直接使用像CreateFile、ReadFile、WriteFile、CloseHandle等文件操作API函数，或ReadConsole、WriteConsole等控制台I/O的API函数；对于Unix或Linux用户程序，则直接使用像open、read、write（printf最终也是调用了write）、close等系统调用封装函数(系统级I/O函数)。
注意点：C标准库中提供的函数并没有涵盖所有底层操作系统提供的功能；不同的C标准库函数可能调用相同的系统调用；此外，C标准I/O库函数、UNIX/Linux 和Windows的API函数所提供的I/O操作功能并不是一一对应的。
例如，它们的参数中对文件的标识方式不同：函数read() 和write() 的参数中指定的文件用一个整数类型的文件描述符来标识；而C 标准库函数fread()和fwrite() 的参数中指定的文件用一个指向特定结构的指针类型来标识。
API与系统调用有什么区别？
应用编程接口（API）与系统调用两者在概念上不完全相同，它们都是系统提供给用户程序使用的编程接口，但前者指的是功能更广泛、抽象程度更高的函数，后者仅指通过软中断(自陷)指令向内核态发出特定服务请求的函数。
系统调用封装函数是 API 函数中的一种。
API 函数最终通过调用系统调用实现 I/O。一个API 可能调用多个系统调用，不同 API 可能会调用同一个系统调用。但是，并不是所有API 都需要调用系统调用。
从编程者来看，API和系统调用之间没有什么差别。
从内核设计者来看，API 和系统调用差别很大：API 在用户态执行， 系统调用封装函数也在用户态执行，但具体服务例程在内核态执行。
用户程序总是通过某种I/O函数或I/O操作符请求I/O操作。
例如，用户进程读一个磁盘文件记录时，可调用C标准I/O库函数fread()，或Windows API函数ReadFile，或Unix/Linux的系统调用封装函数read()来提出I/O请求。不管是C库函数、API函数还是系统调用封装函数，最终都通过操作系统内核提供的系统调用来实现I/O。
即，用户程序中涉及I/O操作的函数最终会被转换为一组与具体机器架构相关的指令序列，这里我们将其称为I/O请求指令序列。
每个指令系统中一定有一类陷阱指令（有些机器也称为软中断指令或系统调用指令），主要功能是为操作系统提供灵活的系统调用机制。
在I/O请求指令序列中，具体I/O请求被转换为这条陷阱指令，在陷阱指令前面则是相应的系统调用参数的设置指令。
当CPU 执行到系统这条陷阱指令时， 会从用户态陷入到内核态；转到内核态执行后， CPU 根据陷阱指令执行时EAX 寄存器中的系统调用号，选择执行一个相应的系统调用服务例程；
在系统调用服务例程的执行过程中可能需要调用具体设备的
驱动程序；在设备驱动程座执行过程中启动外设工作，外设准备好后发出中断请求，CPU响应中断后，就调出中断服务程序执行，在中断服务程序中控制主机与设备进行具体的数据交换。
标准I/O库函数比系统调用封装函数抽象层次高，后者属于系统级I/O函数。与系统提供的API函数一样，前者是基于后者实现的。
两者关系如图所示：
printf()函数的调用过程如下：
以下是write封装函数的原型：
ssize_t write(int fd, const void * buf, size_t n); //fd是文件描述符，每个文件用一个int型的文件描述符来标示文件 //buf是要写的字符串的首地址。buf是void指针，可以通过强制类型转换变成任何类型的指针 //n是要写的字符个数，size_t是unsigned int //返回值是真正写的字符个数，ssize_t是int,因为返回值可能为-1 1 write: 2 pushl %ebx //将EBX入栈（EBX为被调用者保存寄存器） 3 movl $4, %eax //将系统调用号4送EAX 4 movl 8(%esp), %ebx //将第一个参数-文件描述符fd送EBX 5 movl 12(%esp), %ecx //将第二个参数-所写字符串首址buf送ECX 6 movl 16(%esp), %edx //将第三个参数-所写字符个数n送EDX 7 int $0x80 //进入系统调用处理程序system_call执行 8 cmpl $-125, %eax //检查返回值，假定最大出错码为131（所有正数都小于FFFFFF83H） 9 jbe .L1 //若无错误，则跳转至.L1（按无符号数比） 10 negl %eax //将返回值取负送EAX 11 movl %eax, error //将EAX的值送error 12 movl $-1, %eax //将write函数返回值置-1 13 .L1: 14 popl %ebx 15 ret
Linux 中有一个系统调用的统一人口，即系统调用处理程序system_call()。CPU 执行陷阱指令后，便转到system_call()的第一条指令执行。
进入system_call后根据调用号是4跳转到sys_read服务例程，然后在Linux内核中单向调用20次以上。
内核执行write的结果在EAX中返回，正确时为所写字符数（最高位为0），出错时为错误码的负数（最高位为1）
某函数调用了printf()，执行到调用printf()语句时，便会转到C语言I/O标准库函数printf()去执行；
printf()通过一系列函数调用，最终会调用函数write()；
调用write()时，便会通过一系列步骤在内核空间中找到write对应的系统调用服务例程sys_write来执行。
在system_call中根据系统调用号知道要转到sys_write执行。