當多個程式同時執行時，如何讓多個應用程式共同使用物理記憶體資源？有兩種簡單的方法：
使某乙個應用程式獨佔所有的記憶體資源。乙個程式要執行就將另乙個程式的記憶體資料轉存到硬碟中，使要執行的程式獨佔所有記憶體資源。
讓每乙個應用程式獨佔一部分記憶體資源。多個應用程式的資料，可以一直儲存在記憶體中，避免了硬碟讀寫的時間開銷。
為了使不同的應用程式高效，安全的使用記憶體，虛擬記憶體應運而生。顧名思義，虛擬記憶體是對物理記憶體的一種抽象，它介於應用程式與物理記憶體之間。應用程式是面向虛擬記憶體編寫的，而不再是面向物理記憶體編寫的。應用程式在執行時只能使用虛擬位址cpu負責將虛擬位址翻譯成實體地址，作業系統負責設定虛擬位址到實體地址的對映。
優點：應用程式只能看到自己的虛擬位址空間，從而保證了應用程式之間記憶體的隔離性，使應用程式執行更安全。
每個應用程式的虛擬記憶體空間是連續的、統一的，從而降低了程式設計的複雜性。
位址翻譯：cpu中的記憶體管理單元（mmu）負責將虛擬記憶體翻譯成物理記憶體。為了加速位址翻譯過程，mmu中還加入了轉址旁路快取（tlb），tlb可以快取一部分虛擬位址到實體地址的對映，從而加速翻譯。
虛擬記憶體是硬體提供的一種功能，而不是作業系統提供的。分段和分頁是mmu將虛擬位址翻譯為實體地址的兩種機制。
每一段都是乙個虛擬位址空間，虛擬位址由兩部分組成：段號和段內位址。mmu通過段表找到對應的物理段，再通過虛擬位址中的段內位址（偏移量）找到對應的實體地址。
缺點：造成物理出現外部碎片。虛擬位址中相鄰的段對應到物理記憶體中可能就不相鄰了，這樣雖然實現了物理記憶體的離散分配，但是可能造成物理記憶體中相鄰的段之間出現記憶體碎片（不足以對映給虛擬記憶體中的段）。
將應用程式的虛擬位址空間劃分成連續的，等長的虛擬頁，同時物理記憶體也被劃分為等長的，連續的虛擬頁。作業系統為每乙個應用程式構造頁表（虛擬頁到物理頁的對映關係表）。分頁機制下的虛擬位址由兩部分構成：虛擬頁號和頁內偏移量。
mmu通過應用程式的頁表找到虛擬頁號對應的實體地址，再通過頁內偏移量找到對應的實體地址。
上面的簡單分頁機制在32位作業系統中，還能用，但是在64位作業系統中就不行了。64位作業系統，虛擬位址長64位，也就是8個位元組，64位定址範圍是0~2^64，如果乙個虛擬頁大小4kb，那麼就會有2^64/4kb個虛擬頁，如果用一張頁表來記錄，乙個頁表項8位元組，那麼頁表大小就為2^64/4kb*8，這是乙個無法接受的數字。為了壓縮頁表的大小，多級頁表應運而生。下面是乙個4級頁表的示意圖：
在多級分頁機制下，0級頁表只有乙個頁表頁，而其餘每一級頁表都可以擁有多個離散的頁表頁。虛擬位址可以分為兩部分：虛擬頁號和頁內偏移。只不過虛擬頁號可以進一步分為四個部分，依次對應其在對應級數頁表中的索引。當任意一級頁表中的條目為空時，就意味著該條目對應的下一級頁表不需要存在，因此節省了大量空間（不過增加了翻譯時間，時間換空間）。
換頁是一種當物理記憶體不足時的一種機制。物理記憶體緊張時，作業系統會將一些物理頁寫入到磁碟中來騰出空間，這叫換出，當物理記憶體不緊張時，再將換出的物理頁讀回記憶體，這叫換入。換頁機制能夠工作的前提是缺頁異常，物理頁被換出，但是頁表中與之對應的虛擬頁仍然處於已分配狀態，但是當應用程式訪問該虛擬頁時卻發現該虛擬頁沒有對映到物理頁，於是就會觸發缺頁異常。
利用換頁機制，作業系統可以把物理記憶體放不下的資料臨時儲存在磁碟上，等到需要的時候再放回到物理記憶體中，從而能夠為應用程式提供超過物理記憶體容量的虛擬記憶體空間，不過換頁耗時較高會使程式執行變慢，常見的頁替換策略：min策略/opt策略、fifo策略、lru策略。
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