一个系统中的进程是与其他进程共享 CPU 和主存资源的。然而，共享主存会形成一些特殊的挑战。随着对 CPU 需求的增长，进程以某种合理的平滑方式慢了下来。但是如果太多的进程需要太多的存储器，那么它们中的一些就根本无法运行。当一个程序没有空间可用时，那就是它运气不好了。存储器还很容易被破坏。如果某个进程不小心写了另一个进程使用的存储器，它就可能以某种完全和程序逻辑无关的令人迷惑的方式失败。
为了更加有效地管理存储器并且少出错，现代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，它为每个进程提供了一个大的、一致的和私有的地址空间。通过一个很清晰的机制，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，从而简化了存储器管理。3）它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
虚拟存储器是计算机系统最重要的概念之一。它成功的一个主要原因就是因为它是沉默地、自动地工作的，不需要应用程序员的任何干涉。
计算机系统的主存被组织成一个由 M 个连续的字节大小的单元组成的数组。每字节都有一个唯一的物理地址(Physical Address, PA)。第一个字节的地址为 0，接下来的字节地址为 1，再下一个为 2，以此类推。给定这种简单的结构，CPU 访问存储器的最自然的方式就是使用物理地址。我们把这种方式称为物理寻址(physical addressing)。
现代处理器使用的是一种称为虚拟寻址(virtual addressing)的寻址形式
地址空间(address space)是一个非负整数地址的有序集合：{0, 1, 2, …}。如果地址空间中的整数是连续的，那么我们说它是一个线性地址空间(linear address space)。
CPU从一个有着N=2^n个地址的地址空间中生成虚拟地址，这个地址空间称为虚拟地址空间{0, 1, 2, …N-1}
一个系统还有一个物理地址空间，对应于系统中物理内存的M个字节：{0, 1, 2, …M-1}
地址空间的概念是很重要的，因为它清楚地区分了数据对象(字节)和它们的属性(地址)。
允许每个数据对象有多个独立的地址，其中每一个地址都选自一个不同的地址空间。这就是虚拟存储器的基本思想。
可以把主存DRAM看作是虚拟内存的缓存，类似于L1、L2、L3高速缓存是DRAM内存的缓存。也就是说可以把虚拟内存看成是存储器层次结构的一部分。
和其他存储器层次结构中的缓存一样，较低层上的数据被分割成块，作为与较高层之间的传输单元。