操作系统中的 CPU 和主内存（Main memory）都是稀缺资源，所有运行在当前操作系统的进程会共享系统中的 CPU 和内存资源，操作系统会使用 CPU 调度器分配 CPU 时间1并引入虚拟内存系统以管理物理内存，本文会分析操作系统为什么需要虚拟内存。
在回答虚拟内存存在的必要性之前，我们需要理解操作系统中的虚拟内存是什么，它在操作系统中起到什么样的作用。正如软件工程中的其他抽象，虚拟内存是操作系统物理内存和进程之间的中间层，它为进程隐藏了物理内存这一概念，为进程提供了更加简洁和易用的接口以及更加复杂的功能。
现代的操作系统都引入了虚拟内存，进程持有的虚拟地址（Virtual Address）会经过内存管理单元（Memory Mangament Unit）的转换变成物理地址2，然后再通过物理地址访问内存：
操作系统以页为单位管理内存，当进程发现需要访问的数据不在内存时，操作系统可能会将数据以页的方式加载到内存中，这个过程是由上图中的内存管理单元（MMU）完成的。操作系统的虚拟内存作为一个抽象层，起到了以下三个非常关键的作用：
- 虚拟内存可以利用内存起到缓存的作用，提高进程访问磁盘的速度；
- 虚拟内存可以为进程提供独立的内存空间，简化程序的链接、加载过程并通过动态库共享内存；
- 虚拟内存可以控制进程对物理内存的访问，隔离不同进程的访问权限，提高系统的安全性；
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