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1.內存
內存是計算機的主存儲器，它爲進程開闢出進程空間，讓進程在其中保存數據。它的最小的存儲單位一般是字節。內存會爲每各字節進行編號，從0開始依次遞增（線性的）。通常我們會用16進制來表示內存的地址。同時，內存地址的編號範圍和地址總線的個數是直接相關的，例如地址總線的個數爲32，那麼內存的地址編號範圍爲0x00000000到0xFFFFFFFF(爲2的32次方)。
當代操作系統既要求能夠使多個程序共享系統資源，同時還要求內存限制對程序開發者透明，在此需求下，虛擬內存應運而生。
2.虛擬內存
虛擬內存實際上是在磁盤上劃分一塊進程專屬的空間去充當內存。虛擬內存（邏輯地址）支持程序訪問比系統物理可用內存大的多的內存空間，而且也使得多個程序共享內存變量變得高效。虛擬內存依靠透明的使用磁盤空間，得以使程序運行起來好像它們使用比系統物理內存更多的內存空間。磁盤相比於物理內存更加低廉，而且容量巨大，因此可以作爲物理內存的擴充。之所以稱虛擬內存，就是因爲磁盤存儲體可以有效的充當內存，但它並不是內存。
下圖描述了多級數據存儲體的層次關係:
運行中的每個進程都有自己的一套虛擬內存空間，空間的大小一般與地址總線的個數有關，32爲操作系統的虛擬內存大小爲2的32次方（4G）。同時，虛擬內存的編號方法與物理內存類似。從功能上說，虛擬內存地址和物理內存地址的功能是相同的，都是爲數據提供位置索引。由於每個進程都有一份獨立的虛擬內存空間，所以不同進程中虛擬地址相同的地址表示數據很可能不一樣，如下圖所示：（圖中的進程空間相當於磁盤上的某一塊空間）
因此，進程對物理內存是一無所知的，因爲虛擬內存的存在將進程與物理內存隔離開來，只能通過MMU（內存管理單元）將虛擬內存地址轉換成物理內存地址，間接的去訪問物理內存。從本質上說，虛擬內存的存在，剝奪了進程直接訪問物理內存的權力，但是嗎，正是因爲如此，才保證進程之間的相互獨立性，減少了進程出錯的可能性。
另一方面，有了虛擬內存地址，內存共享也變得簡單。操作系統可以把同一物理內存區域對應到多個進程空間。這樣，不需要任何的數據複製，多個進程就可以看到相同的數據。內核和共享庫的映射，就是通過這種方式進行的。每個進程空間中，最初一部分的虛擬內存地址，都對應到物理內存中預留給內核的空間。這樣，所有的進程就可以共享同一套內核數據。共享庫的情況也是類似。對於任何一個共享庫，計算機只需要往物理內存中加載一次，就可以通過操縱對應關係，來讓多個進程共同使用。
使用虛擬內存的優點：
可以彌補物理內存大小的缺陷，使每個進程都有自己的獨立空間，同時使數據共享成爲可能。
缺點：
使用虛擬內存會佔用一定的磁盤空間，加大了對磁盤的讀寫。
3.內存的分頁管理
使用虛擬內存的時候，我們需要建立虛擬地址與物理地址的對應關係，如果我們繼續使用存儲的最小單位（字節）充當存儲的基本單元，那麼就需要爲每個字節都去建立一個對應關係，這樣會消耗巨大的計算機存儲資源。因此操作系統採用分頁的機制來建立這種對應關係，所謂分頁，就是以更大的尺寸去充當存儲的基本單元，在Linux系統中一個頁的大小通常是4KB=4096字節。
linux分頁管理即是：
將虛擬地址空間以4KB的大小，分成若干個頁，對頁進行編號（從0開始），並從0開始在頁內進行編號。首先看如下32位尋址空間的虛擬地址結構圖：
上述數字均爲16進制，前12位表示頁內偏移地址，後20位表示頁號，因此在進程的虛擬地址空間中，頁的大小和頁的數目分別如下：
2^12 = 4KB
2^20 = 1M
因此32位系統的尋址能力位：1M x4KB = 4G.
同時，物理內存也會按照同樣的大小（4KB），分成框或塊，也是對塊進行編號，同時塊內進行編號。
同時操作系統還會通過維護一張表（頁表），記錄了每一頁和框的對應關係。如下圖：（圖中是簡單的單級頁表，linux中採用了多級頁表，道理一樣，都是逐層建立對應關係）
由於各個進程的各個頁離散的存儲在內粗內得不同物理塊上，頁表的存在，使得進程能在內存中找到每個頁面所對應的物理塊，保證了進程的正確運行。
內存的分頁，可以極大地減少所要記錄的內存的對應關係。由於每頁的大小式4096個字節，因此內存中的總頁數只是總字節數的4096分之一。對應關係也縮減爲以字節爲基本存儲單元的4096分之一。分頁讓虛擬內存地址的設計有了實現的可能。
1.虛擬內存地址到物理內存地址的尋址
對於某特定機器，其地址結構式一定的。若給定一個邏輯地址空間中的地址A，頁面大小L，則頁號P和頁內地址可通過下面方式求得：
P = int[A/L] []表示向下取整。
d = A %L
根據頁表和頁號P可以找到物的理內存中對應塊，數據的地址就位於塊內的地址d處。
2.磁盤地址（虛擬內存空間）到物理內存地址的映射
由於程序的數據一般先存儲與磁盤中（不是內存），當我們使用虛擬內存的時候，磁盤中的數據也被分割成以頁爲單位的基本單元，頁可以在磁盤與內存之間來回移動。這樣，程序正在使用的那部分數據所屬的頁就可以從磁盤中至於內存中，以便進行快速的訪問，而未使用的部分則被臨時存儲在磁盤中，如此可以減輕待訪問數據存放在磁盤中而導致讀取時間過長的問題。當進程訪問一個地址時，該地址所在的頁被載入內存，對頁中任意一數據的請求都會變成對該頁的訪問。如果頁中的任一地址以前都沒有訪問過，說明該頁並沒有裝入內存（因爲只有進程需要，纔會將對應頁裝入內存，所以裝入內存中的頁一定是訪問過的）。對頁中地址的第一次訪問便會產生一個失敗或缺頁（因爲第一次訪問的時候，所訪問的頁肯定不在內存中），因此必須從磁盤中進行請求。當發生缺頁的時候，內核必須選擇一個頁面，然後將其內容寫回到磁盤，從而用程序剛剛請求的頁的內容來填充它。頁面的選擇通過缺頁置換算法來確定。
3.虛擬內存是如何工作的
當每個進程創建的時候，內核會爲進程分配4G的虛擬內存，當進程還沒有開始運行時，這只是一個內存佈局。實際上並不立即就把虛擬內存對應位置的程序數據和代碼（比如.text .data段）拷貝到物理內存中，只是建立好虛擬內存和磁盤文件之間的映射就好（叫做存儲器映射）。這個時候數據和代碼還是在磁盤上的。當運行到對應的程序時，進程去尋找頁表，發現頁表中地址沒有存放在物理內存上，而是在磁盤上，於是發生缺頁異常，於是將磁盤上的數據拷貝到物理內存中。
另外在進程運行過程中，要通過malloc來動態分配內存時，也只是分配了虛擬內存，即爲這塊虛擬內存對應的頁表項做相應設置，當進程真正訪問到此數據時，才引發缺頁異常。
可以認爲虛擬空間都被映射到了磁盤空間中（事實上也是按需要映射到磁盤空間上，通過mmap，mmap是用來建立虛擬空間和磁盤空間的映射關係的）
參考文章：
https://www.cnblogs.com/vamei/p/9329278.html
https://www.cnblogs.com/leohahah/p/6921731.html
https://baike.baidu.com/item/基本分頁存儲管理方式/7866872?fr=aladdin
https://blog.csdn.net/u014338577/article/details/82750771
《unix內核編程》