虚拟内存技术允许执行的进程不必完全处于内存，这种方案的一个主要优点是程序可大于物理内存。实现了逻辑内存和物理内存的分离，允许文件和内存通过共享页而为多个进程所共享。
虚拟地址空间就是进程如何在内存中存放的逻辑视图。
下面讨论如何实现虚拟内存。
9.1 请求调页
如何从磁盘加载可执行程序到内存。一种选择是，在程序执行时将整个程序加载到物理内存，然而这种方法的一个问题是，最初不需要整个程序都存在内存，浪费内存资源。
另一种策略是，仅在需要时才加载页面。这种技术称为请求调页（demand paging），常常用于虚拟内存系统。页面只有在程序执行期间被请求才会被加载。
请求调页类似具有交换的分页系统，这里进程驻留在外存上，当进程需要执行时，通过调页程序，它被交换到内存中，仅交换需要的某个页面。
硬件支持
这种方案需要一定的硬件支持，以区分内存的页面和磁盘的页面。8.5.3节所述的有效-无效位方案可用于这一目的。该位被设置为有效，表示相关联的页面合法且在内存中。该位为无效时，表示页面无效或有效但是在磁盘上。
当进程执行和访问那些内存驻留的页面时，执行会正常进行。如果进程试图访问那些尚未调入内存中的页面时，对标记为无效的页面访问会产生缺页错误（page fault）。分页硬件在通过页表转换地址时会注意到无效位被设置，从而陷入操作系统。处理这种缺页错误的程序很简单：
- 检查这个进程的内部表（通常与PCB一起保存），以确定该引用是有效还是无效的内存访问。
- 如果引用无效，那么终止进程。如果引用有效但是尚未调入页面，那么现在就应调入。
- 找到一个空闲帧。
- 调度一个磁盘操作，以将所需页面读到刚分配的帧。
- 当磁盘读取完成时，修改进程的内部表和页表，以指示该也所处于内存中。
- 重新启动被陷阱中断的指令。
性能
请求调页可以有效影响计算机系统的性能。
设缺页错误率为 p 。
有效访问时间 = （1 - p） x 内存访问时间 + p x 缺页错误时间
9.2 页面置换
如果增加多道程度，那么可能会过度分配内存。
内存的过度分配可能会出现错误。当用户进程正在执行时，可能会发生缺页错误。操作系统确定所需页面的磁盘位置，但却发现空闲帧列表上没有空闲帧，所有内存都在使用。这时，操作系统可以终止用户程序，但却不应该让用户意识到，对用户来说，调页应该是透明的。操作系统也可以交换出一个进程，来释放它的所有帧并降低多道程度。即页面置换。
9.2.1 基本页面置换
修改缺页处理程序：
1. 找到所需页面的磁盘位置。
2. 找到一个空闲帧：
a. 如果有空闲帧，那么就使用它。
b. 如果没有空闲帧，那么就使用页面置换算法来选择一个牺牲帧。
c. 将牺牲帧的内容写到磁盘上，修改对应的页表和帧表。
3. 将所需页面读入空闲帧，修改页表和帧表。
4. 从发生缺页错误位置，继续用户进程。
需要注意的是，如果没有空闲帧，那么需要两个页面传输（一个调入，一个调出）。这种情况实际上加倍了缺页错误处理的时间，并增加了有效访问的时间。
采用修改位（modify bit 或脏位（dirty bit））可减少这种开销。每个页面和帧都有一个修改位，两者之间的关联采用硬件。每当页面内的任何字节被写入时，它的页面修改位会由硬件来设置，以表示该页面被修改过了。
当要选择一个页面进行置换时，就检查它的修改位。如果该位已被设置，表示该页面从磁盘读入后已被修改，这种情况下应将页面写入磁盘。如果该位未设置，那么表示还未被修改过，这种情况下，不需要将内存页面写到磁盘里，因为它已经存在。这种方案可用明显地降低缺页错误处理的数据，因为如果页面没有被修改，可以减低一半的 I/O 时间。
为了实现请求调页，必须解决两个问题：
- 帧分配算法 : 如果有多进程在内存中，必须决定要为每个进程分配多少帧。
- 页面置换算法 ：当页面需要置换时，必须选择要置换的帧。
有效访问时间和缺页错误率成正比，所以我们通常采用缺页错误率最低的算法。
为此，可以有这样的评估算法：针对特定的引用串，运行某个置换你算法，并计算缺页错误的数量。内存引用的串称为引用串。为了减少数据的数量，可以利用以下两个事实：
- 对于给定的页面大小（通常由硬件或系统来决定），只需考虑页码，而非完整地址。
- 如果有一个对页面 p 的引用，那么此后的对页面 p 的任何引用绝不会引起缺页错误。这是因为页面 p 在第一次引用后在内存中。
下面讨论几种页面置换算法。
9.2.2 FIFO页面置换
最简单的页面置换算法。FIFO页面置换算法为每个页面记录了调到内存的时间。当必须置换页面时，将选择最旧的页面。
注意不需要记录确切时间，而是可以创建一个FIFO队列来管理使用内存页面。置换的是队列的首个页面，新调入的页面添加到队尾。
FIFO页面置换性能不理想。如果一个页面早就初始化但任然在不停使用：
请注意，即使选择正在使用的一个页面来置换，一切任然工作正常。只不过之后几乎会立即发生缺页错误，以取回活动页面。因此选择不当的置换会增加缺页错误率，并且减慢处理执行。
9.2.3 最优页面置换
Belady异常：对于有些页面置换算法，随着分配帧数量的增加，缺页错误率可能会增加。
发现Belady异常的一个处理是寻找最优页面置换，这个算法具有最低的缺页错误率，并且不会遭受Belady异常。被称为OPT或MIN，简单地说：
置换最长时间不会使用的页面。
最优置换算法难以实现，因为要预知未来。
9.2.4 LRU页面置换
用最近的过去作为不远将来的近似，这种方法称为最近最少使用算法（Least-Recent-Used algorithm，LRU）。选择最长时间没有使用的页面。时间上向后看而不是向前看。
它的问题是确定由上次使用时间定义的帧的顺序：计数器和堆栈。
9.3 帧分配
...
9.4 系统抖动
如果进程没有需要支持活动使用页面的帧数，那么它很快会产生缺页错误。此时，必须置换某个页面，然而，由于它的所有页面都在使用，所以必须立即置换所需再次使用的页面。因此，它会再次快速产生缺页错误，再一次置换必须立即返回的页面，如此快速进行。
这种高度的页面调度活动称为抖动。如果一个进程的调用时间多于它的执行时间，那么这个进程就在抖动。
系统抖动的原因
操作系统监视CPU利用率。如果CPU利用率太低，那么通过向系统引入新的进程来增加多道程序。采用全局置换算法会置换任何页面，而不管页面属于哪个进程。
假设进程在执行时需要更多的帧，它开始出现缺页错误，并从其他进程中获取帧。然而这些进程也需要这些页面，因此它们也会出现缺页错误，并且从其他进程中获取帧。，这些缺页错误进程必须使用调页设备以将页面换入和换出。当它们为调页设备排队时，就绪队列就会清空。随着进程等待调页设备，CPU利用率会降低。
CPU调度程序看到CPU利用率的降低，进而会增加多道程序。新进程试图从其他运行进程中获取帧来启动，从而导致更多的缺页错误和更长的调页设备队列。因此CPU利用率进一步下降，并且CPU调度程序试图再次增加多道程度。这样就出现了抖动，系统的吞吐量骤降。缺页错误率显著增加。结果，有效内存访问时间增加，没有工作可以完成，因为进程总是忙于调页。
通过局部置换算法或优先权置换算法可以限制系统抖动。