虛擬內存與物理內存
如何管理內存？
當多個程序同時運行時，如何讓多個應用程序共同使用物理內存資源？有兩種簡單的方法：
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使某一個應用程序獨占所有的內存資源。一個程序要運行就將另一個程序的內存數據轉存到硬盤中，使要運行的程序獨占所有內存資源。
- 缺點：硬盤讀寫速度很慢（相對而言），如果應用程序頻繁切換，必然會造成大量時間開銷。
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讓每一個應用程序獨占一部分內存資源。多個應用程序的數據，可以一直保存在內存中，避免了硬盤讀寫的時間開銷。
- 缺點：無法保證不同應用程序內存之間的隔離性，如果應用程序A錯誤讀取或修改了應用程序B的內存數據，就會造成嚴重的后果。
- 缺點：無法保證每個應用程序分到的內存地址是連續的，這會增加程序編寫的復雜度。
虛擬內存
為了使不同的應用程序高效，安全的使用內存，虛擬內存應運而生。顧名思義，虛擬內存是對物理內存的一種抽象，它介於應用程序與物理內存之間。應用程序是面向虛擬內存編寫的，而不再是面向物理內存編寫的。應用程序在運行時只能使用虛擬地址CPU負責將虛擬地址翻譯成物理地址，操作系統負責設置虛擬地址到物理地址的映射。
優點：
- 應用程序只能看到自己的虛擬地址空間，從而保證了應用程序之間內存的隔離性，使應用程序運行更安全。
- 每個應用程序的虛擬內存空間是連續的、統一的，從而降低了編程的復雜性。
地址翻譯：CPU中的內存管理單元（MMU）負責將虛擬內存翻譯成物理內存。為了加速地址翻譯過程，MMU中還加入了轉址旁路緩存（TLB），TLB可以緩存一部分虛擬地址到物理地址的映射，從而加速翻譯。
虛擬內存是硬件提供的一種功能，而不是操作系統提供的。
分段和分頁
分段和分頁是MMU將虛擬地址翻譯為物理地址的兩種機制。
分段
在分段的機制下，操作系統以“段”（一段連續的物理內存）的形式來管理、分配虛擬內存和物理內存。應用程序的虛擬地址空間由若干個不同大小的段組成，比如：代碼段、數據段。
每一段都是一個虛擬地址空間，虛擬地址由兩部分組成：段號和段內地址。MMU通過段表找到對應的物理段，再通過虛擬地址中的段內地址（偏移量）找到對應的物理地址。
缺點：造成物理出現外部碎片。虛擬地址中相鄰的段對應到物理內存中可能就不相鄰了，這樣雖然實現了物理內存的離散分配，但是可能造成物理內存中相鄰的段之間出現內存碎片（不足以映射給虛擬內存中的段）。
分頁
將應用程序的虛擬地址空間划分成連續的，等長的虛擬頁，同時物理內存也被划分為等長的，連續的虛擬頁。操作系統為每一個應用程序構造頁表（虛擬頁到物理頁的映射關系表）。分頁機制下的虛擬地址由兩部分構成：虛擬頁號和頁內偏移量。
MMU通過應用程序的頁表找到虛擬頁號對應的物理地址，再通過頁內偏移量找到對應的物理地址。
多級頁表
上面的簡單分頁機制在32位操作系統中，還能用，但是在64位操作系統中就不行了。64位操作系統，虛擬地址長64位，也就是8個字節，64位尋址范圍是0~2^64，如果一個虛擬頁大小4KB，那么就會有2^64/4KB個虛擬頁，如果用一張頁表來記錄，一個頁表項8字節，那么頁表大小就為2^64/4KB*8，這是一個無法接受的數字。為了壓縮頁表的大小，多級頁表應運而生。下面是一個4級頁表的示意圖：
在多級分頁機制下，0級頁表只有一個頁表頁，而其余每一級頁表都可以擁有多個離散的頁表頁。虛擬地址可以分為兩部分：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，就意味着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）。
換頁和缺頁異常
換頁是一種當物理內存不足時的一種機制。物理內存緊張時，操作系統會將一些物理頁寫入到磁盤中來騰出空間，這叫換出，當物理內存不緊張時，再將換出的物理頁讀回內存，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，但是當應用程序訪問該虛擬頁時卻發現該虛擬頁沒有映射到物理頁，於是就會觸發缺頁異常。
利用換頁機制，操作系統可以把物理內存放不下的數據臨時存儲在磁盤上，等到需要的時候再放回到物理內存中，從而能夠為應用程序提供超過物理內存容量的虛擬內存空間，不過換頁耗時較高會使程序運行變慢，常見的頁替換策略：MIN策略/opt策略、FIFO策略、LRU策略。