操作系统中的虚拟内存是一种重要的存储管理技术，它解决了物理内存有限而程序需求可能超过其容量的问题。虚拟内存通过逻辑地址和物理地址的分离，使得程序可以认为自己拥有比实际内存更大的空间，从而允许运行比实际内存更大规模的程序。以下是关于虚拟内存的详细解释：
虚拟内存的出现是由于传统存储器管理的局限性。在传统的内存管理中，系统必须一次性将整个程序加载到内存中，并且只有在程序完全执行完毕后才能释放内存。这导致了两个主要问题：一是如果程序太大，超过内存容量，程序无法运行；二是系统能同时处理的作业数量受限，降低了多道程序的并行度和整体性能。
虚拟内存的概念是基于程序运行的特点，即并非所有代码和数据在整个执行过程中都是必需的。程序的执行往往具有顺序性、局限性、多次性和独立性。顺序性意味着大部分程序是顺序执行的，不需要一次性加载所有信息。局限性指的是程序执行通常集中在一小部分代码上，只需要这部分代码在内存中。多次性是指循环结构的代码会被多次执行，只需保留一个版本。独立性则表明程序的不同部分可能是互斥的，可以分别处理。
虚拟存储器的基本思想是将不立即使用的部分暂存到外存（如硬盘），形成一个逻辑上的内存扩展，即虚拟内存。逻辑地址空间可以远大于物理内存地址空间，其大小由计算机的地址结构决定，例如32位地址系统可以寻址4GB，20位地址系统可以寻址1MB。虚拟内存的实现通常依赖于硬件支持，包括请求分页或请求分段的机制，以及缺页或缺段中断机构，地址变换机构等。
请求分页系统是以页为单位进行内存管理和替换，它需要硬件支持的页表机制，以及缺页中断机构和地址变换机构。软件方面，需要实现请求调页和页面置换的算法。页表在虚拟存储器中添加了额外的字段，如状态位来标记页面是否在内存中，外存地址记录页面在外存的位置，修改位表示页面在内存中是否被修改，访问字段记录页面的访问频率，这些信息用于页面替换策略。
请求分段系统则是以段为单位进行管理，类似于请求分页，但管理粒度更大，更适合于模块化的程序结构。它也需要类似的硬件和软件支持，包括段表、缺段中断和地址变换。
虚拟内存的关键特性包括多次性、对换性和虚拟性。多次性允许程序分批加载到内存，对换性使系统能够在内存不足时将部分数据交换到外存，而虚拟性则提供了逻辑上更大的内存空间，提高了系统的资源利用率和程序的可运行性。
虚拟内存是现代操作系统中不可或缺的一部分，它通过高效地管理物理内存和外存资源，使得系统能够运行大型程序，同时保持较高的并发度和系统性能。
