一个系统中的进程是与其他进程共享CPU和主存资源的。为了更加有效地管理存储器并且少出错，现在系统提供了一种对主存的抽象概念，叫做虚拟存储器（VM）。虚拟存储器是硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘文件和内核软件的完美交互，它为每一个进程提供了一个大的、一致的和私有的地址空间。虚拟存储器提供了三个重要的能力：1）它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据，通过这种方式，它高效地使用了主存。2）它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了存储器的管理。3）它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
9.1 物理和虚拟寻址
使用虚拟寻址时，CPU通过生成一个虚拟地址（Virtual Address,VA）来访问主存，这个虚拟地址在被送到存储器之前先转换成适当的物理地址。将一个虚拟地址转换为物理地址的任务叫做地址翻译。地址翻译需要CPU硬件和操作系统之间的紧密合作。CPU芯片上叫做存储器管理单元（Memory Management Unit，MMU）的专用硬件，利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容是有操作系统管理的。
9.2 地址空间
一个地址空间的大小是由表示最大地址所需要的位数来描述的。一个包含N=2^n个地址的虚拟地址空间就叫做一个n位地址空间。现代操作系统典型的支持32位或者64为虚拟地址空间。一个系统还有一个物理地址空间，它与系统中物理存储器的M个字节相对应。
9.3虚拟存储器作为缓存的工具
9.3.1 DRAM缓存的组织结构
和存储器结构中其他缓存一样，磁盘（较低层）上的数据被分割成块，这些块座位磁盘和主存之间的传输单元。VM系统通过将虚拟存储器分割为称为虚拟页（Virtual Page，VP）的大小固定的块来处理这个问题，大小为P=2^p字节。类似的，物理存储器被分割为物理页（Physical Page，PP），大小也为P字节（物理也也称为页帧（Page Frame））。
在任意时刻，虚拟页面的集合都分为三个不相交的子集：
- 为分配的：VM系统还未分配（或者创建）的页。未分配的块没有任何数据和它们相关联，因此也就不占用任何磁盘空间。
- 缓存的：当前缓存在物理存储器中的已分配页。
- 未缓存的：没有缓存在物理存储器中的已分配页。
9.3.2 页表
页表，将虚拟页映射到物理页，存放在物理存储器中。每次地址翻译硬件将一个虚拟地址转换为物理地址时都会读取页表。操作系统负责维护页表的内容，以及在磁盘与DRAM之间来回传送页。页表就是一个页表条目（Page Table Entry）的数组。虚拟地址空间的每个页在页表中一个固定偏移量处都有一个PTE。每个PTE是由一个有效位和一个n位地址字段组成的。有效位表明了该虚拟页当前是否被缓存在DRAM中。地址字段表示该虚拟页在DRAM中的位置或磁盘上的起始位置。
9.3.3 页命中
9.3.4 缺页
DRAM的缓存不命中称为缺页（page fault）。
9.8 存储器映射
Linux通过将一个虚拟存储器区域与一个磁盘上的对象（object）关联起来，以初始化这个虚拟存储器区域的内容，这个过程称为存储器映射（memory mapping）。虚拟存储器可以映射到两种类型的对象中的一种：
1）Unix文件系统中的普通文件：一个区域可以映射到一个普通磁盘文件的连续部分。
2）匿名文件：一个区域可以映射到一个匿名文件，匿名文件是由内核创建的，包含的全是二进制零。
9.9 动态存储器分配
虽然可以使用低级的mmap和munmap函数来创建和删除虚拟存储器的区域，但是C程序员还是会觉得当运行时需要额外虚拟存储器时，用动态存储器分配器更方便，也有更好的可移植性。
动态存储器分配器维护着一个进程的虚拟存储器区域，称为堆（heap）。它紧接在未初始化的bss区域后开始，并向上生长（向更高的地址）。对于每个进程，内核维护着一个变量brk，它指向堆的顶部。
分配器有两种基本风格。两种风格都要求应用显示地分配块。它们的不同在于由哪个实体来负责释放已分配的块。
显式分配器：要求应用显式地释放任何已分配的块。例如，C标准库提供一种叫做malloc程序包的显式分配器。C程序通过调用malloc函数来分配一个块，并通过调用free函数来释放一个块。C++中用new和delete
隐式分配器：要求分配器检测一个已分配块何时不再被程序所使用，那么就释放这个块。隐式分配器也叫做垃圾收集器。
9.9.4 碎片
造成堆利用率很低的主要原因是一种称为碎片的现象，当虽然有未使用存储器单不能用来满足分配请求时，就会发生这种现象。有两种形式的碎片：内部碎片（internal fragmentation）和外部碎片（external fragmentation）。
内部碎片是在一个已分配块比有效荷载大时发生的。很多原因都可能造成这个问题，如，一个分配器的实现可能对已分配块强加一个最小的大小值，而这个值比请求的有效荷载大，或者，分配器可能增加块大小以满足对齐约束条件。
外部碎片是当空闲存储器合计起来足够满足一个分配请求，但是没有一个单独的空闲块足够大可以来处理这个请求时发生的。