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操作系統有虛擬內存與物理內存的概念。在很久以前，還沒有虛擬內存概念的時候，程序尋址用的都是物理地址。程序能尋址的范圍是有限的，這取決於CPU的地址線條數。比如在32位平台下，尋址的范圍是2^32也就是4G。並且這是固定的，如果沒有虛擬內存，且每次開啟一個進程都給4G的物理內存，就可能會出現很多問題：
因為我的物理內存時有限的，當有多個進程要執行的時候，都要給4G內存，很顯然你內存小一點，這很快就分配完了，於是沒有得到分配資源的進程就只能等待。當一個進程執行完了以后，再將等待的進程裝入內存。這種頻繁的裝入內存的操作是很沒效率的。由於指令都是直接訪問物理內存的，那么我這個進程就可以修改其他進程的數據，甚至會修改內核地址空間的數據，這是我們不想看到的。因為內存時隨機分配的，所以程序運行的地址也是不正確的。
於是針對上面會出現的各種問題，虛擬內存就出來了。
在之前一篇文章中進程分配資源介紹過一個進程運行時都會得到4G的虛擬內存。這個虛擬內存你可以認為，每個進程都認為自己擁有4G的空間，這只是每個進程認為的，但是實際上，在虛擬內存對應的物理內存上，可能只對應的一點點的物理內存，實際用了多少內存，就會對應多少物理內存。
進程得到的這4G虛擬內存是一個連續的地址空間（這也只是進程認為），而實際上，它通常是被分隔成多個物理內存碎片，還有一部分存儲在外部磁盤存儲器上，在需要時進行數據交換。
進程開始要訪問一個地址，它可能會經歷下面的過程：
1、每次我要訪問地址空間上的某一個地址，都需要把地址翻譯為實際物理內存地址；
2、所有進程共享這整一塊物理內存，每個進程只把自己目前需要的虛擬地址空間映射到物理內存上；
3、進程需要知道哪些地址空間上的數據在物理內存上，哪些不在（可能這部分存儲在磁盤上），還有在物理內存上的哪里，這就需要通過頁表來記錄；
4、頁表的每一個表項分兩部分，第一部分記錄此頁是否在物理內存上，第二部分記錄物理內存頁的地址（如果在的話）；
5、當進程訪問某個虛擬地址的時候，就會先去看頁表，如果發現對應的數據不在物理內存上，就會發生缺頁異常；
6、缺頁異常的處理過程，操作系統立即阻塞該進程，並將硬盤里對應的頁換入內存，然后使該進程就緒，如果內存已經滿了，沒有空地方了，那就找一個頁覆蓋，至於具體覆蓋的哪個頁，就需要看操作系統的頁面置換算法是怎么設計的了。