虚拟内存是一种计算机内存管理技术，它为每个进程提供了一个独立且连续的虚拟地址空间，即使物理内存的实际容量远小于这个虚拟地址空间。这一技术解决了内存不足的问题，使得程序员可以编写超出物理内存大小的程序。在虚拟内存系统中，程序的代码、数据、堆和栈都被映射到这个虚拟地址空间，而实际的物理内存和磁盘上的外存共同协作，以支持程序的运行。
虚拟内存的实现主要依赖于以下几个核心机制：
1. **按需调页（请求调页）**：程序在执行过程中，只有当访问到的页不在物理内存中时，操作系统才会将该页从磁盘调入内存，这就是所谓的请求调页。这种方法避免了不必要的数据交换，提高了内存的利用率。
2. **页表的改造**：为了实现虚拟地址到物理地址的映射，操作系统维护了一个页表，其中包含了虚拟页号到物理页号的对应关系。页表的一个关键改进是引入了页表项中的“存在位”，标识页是否在物理内存中。
3. **页面置换算法**：由于内存资源有限，当所有物理页都被占用时，需要通过页面置换算法决定将哪个页替换到磁盘上。常见的页面置换算法有FIFO（先进先出）、OPT（最优）和LRU（最近最少使用）。LRU的精确实现通常需要计数器或者页码栈，而近似的实现则可以使用附加引用位法或时钟法。
4. **写时复制（Copy-on-Write）**：这是一种优化策略，允许多个进程共享同一份内存副本，直到其中一个进程尝试修改时，才真正复制一份私有的副本。
5. **交换空间（交换区）与工作集**：交换空间是磁盘上专门用于存储被换出的页面区域，工作集则是一个进程在一段时间内频繁使用的页面集合，优化页面置换策略时，考虑工作集大小可以减少不必要的页面交换。
6. **局部和全局页面置换策略**：局部置换仅针对当前进程进行页面置换，而全局置换允许在所有进程中选择替换的页面，以优化整体系统的性能。
7. **系统颠簸现象与Belady异常**：系统颠簸是指频繁地换入换出导致系统性能急剧下降，而Belady异常是指某些情况下，增加分配给进程的物理页数反而导致更多的页面置换。
虚拟内存的优点主要包括：
- **地址空间大于物理内存**：允许程序使用超过物理内存大小的地址空间，简化编程。
- **提高并发度**：通过部分加载和按需调页，内存中可以同时容纳更多进程，提升系统效率。
- **内存利用率**：根据局部性原理，只加载经常使用的部分，减少了内存浪费。
虚拟内存的思想极大地提升了操作系统的灵活性和效率，使得现代操作系统能够高效地管理和调度有限的物理内存资源，同时为用户提供了一个看似无限的地址空间。
