早起的操作系統其實只是一組函數(一個庫)，是在內存中運行的一個運行的程序，例如下圖：
其中的0-64KB，屬於操作系統，包括代碼、數據等等，64KB之後的屬於運行中的進程；
後來，隨着計算機的不斷髮展，人們開始想方設法的更有效率的使用計算機，也就是進入了多進程時代（multiprogramming），當時等等多個進程在給定時間內運行，例如當有進程在等待I/O,那麼操作系統就會將CPU交給其他進程，這樣可以讓CPU被充分的使用。後來，人們使用的程序也在不斷髮展，就開始想要更好更快的機器，於是分時系統誕生了。具體地說，就是當時的許多人認識到了批量計算的侷限性，尤其是對程序員本身，他們厭倦了長時間的低效率的程序編程-調試循環。交互（interactivity）變得重要起來，因爲在那個時代，計算機還沒有很普及，很多都是多個人，也就是一個小組、一個實驗室，甚至一家公司只有一臺計算機，於是就會出現許多個用戶同時使用一臺機器，每個人都在等待他的程序運行的情況。時分共享就是爲了解決這個問題被提出。
時分共享就是讓一個進程單獨佔用計算機所有資源，在很短的一段時間內，然後停止它，將它停止那一刻的運行信息保存在磁盤上，然後加載其他進程的運行信息，之後就對所有的進程重複這個過程，就實現了最簡單的機器共享。但是，這種方法有一個大問題:太慢了！！！特別是隨着內存的增長。：雖然保存和恢復進程狀態很快，但是把內存的全部信息都保存到磁盤上就太慢了。因此，開發者更願意將進程信息留在內存中，同時在它們之間進行切換，從而使操作系統能夠有效地實現時間共享。
將進程信息保留在內存中是有效的提升了速度，但是也帶來了安全性的問題，因爲所有進程的信息都在內存中，很有可能會有某個進程不小心的誤操作了其他進程的信息，當然惡意的故意去修改其他進程信息的情況也會出現。於是開發者們就必須開始考慮內存信息的保護問題。
於是地址空間（address space）的概念應運而生。地址空間就是內存的抽象，程序可以根據地址空間去找到對應的內存。一個進程的地址空間包含運行的程序的所有內存狀態，例如程序的代碼必須要在內存中，也就在地址空間裏，當程序運行時利用棧保存當前的函數調用信息，同時分配空間給局部變量，傳遞參數和函數返回值，再通過堆來實現程序的內存動態分配，例如C++中的new。當然還有一些其他的東西，例如靜態初始化的變量等等。
上圖就是一片地址空間，它總的大小爲16KB，其中頂部是程序代碼，佔用大小爲1KB，因爲代碼是靜態的，在程序運行的過程中不會被改變，所以代碼一般都會被放置在頂層。在代碼後面，就是給運行中的程序分配的堆和棧，其中的堆放在剩餘空間的頂部，棧放置在空間底部，這樣可以允許他們同時增長，只需要他們增長的方向不同即可。當然這只是最初的堆和棧的一種分配方式，到了今天這樣的分配方式早已經被優化掉了，例如對於多個線程的時候這樣的分配就很難處理了。
到了今天，我們描述的地址空間 ，其實指的是操作系統提供給程序的抽象。因爲程序肯定不是每次都被分配在0-16KB的內存中，而是有可能加載在任意的物理地址。但是對於程序來說，它只會認爲它自己被加載在特定的地址中，一般爲0。而當程序要去操作它認爲的0地址的時候，實際上操作的物理地址可能是個任意的值，這就是內存虛擬化，也就是現代計算機系統的基礎。只有有了虛擬化的內存，纔可以良好的實現進程之間的隔離，就可以保護進程彼此之間的信息互不干擾，從而避免進程誤操作與惡意破壞的問題的發生。
有一點要注意的是，在我們平時的開發中，可以通過各種各樣的操作查看到自己使用的內存的地址，那麼這個地址是真實的嗎？當然不，通過代碼所能看到的地址都是已經經過操作系統轉換的虛擬地址，例如下面的代碼：
結果所輸出的：
this is Main address : 0x55f1fef4097a
this is a address : 0x7fffd71859a4
這兩個都是虛擬的內存地址，真正的物理控件地址需要經過操作系統與硬件翻譯才能得到。