详细回答
概念
虚拟内存是操作系统运用的一种独特技术，它从逻辑层面扩充了内存容量，具备请求调入和置换两大关键功能。其核心在于为每个进程营造出一个独立且连续的地址空间，让每个进程都仿佛独占整个内存资源。虚拟内存的设计理念是巧妙地把物理内存与磁盘空间整合起来，以此拓展可用内存范围，同时实现内存隔离。在非连续存储管理方式的架构下，程序文件仅部分页面被调入内存。当进程需要用到尚未调入的程序页面时，系统会从磁盘中将其调入，此过程便是请求调入。而当请求调入遭遇“内存已满”的状况时，系统就得从内存里挑选出一部分暂时用不上的页面调出，空出空间来调入当下急需的页面，这一操作被称作内存置换。需要特别说明的是，请求分页存储管理方式是在分页管理的基础上，增添了请求调入和内存置换这两个功能。
主要作用
内存扩展：虚拟内存通过将部分内存数据交换到磁盘上，扩展了可用内存空间，使程序能够在超过实际物理内存的地址空间中运行。虚拟内存的容量接近于较大的外存，而其运行速度则接近于较快的内存。
内存隔离：每个进程都被分配了独立的虚拟地址空间，这有效地防止了进程间的内存冲突，大大提高了系统的安全性和稳定性。
简化内存管理：内存置换和请求调入操作由操作系统自动处理，用户无需了解内存管理的具体细节，虚拟内存的实际运作机制对用户是透明的。
实现方式
虚拟内存的实现主要包括以下两种方式：
分页（Paging）：
- 将虚拟内存和物理内存划分为固定大小的页（如常见的4KB），并通过页表实现虚拟地址与物理地址的映射。
- 页表由操作系统维护，而TLB（转换后备缓冲区）用于加速地址转换过程，提高地址解析效率。
- 当访问的页不在物理内存中时，会触发缺页中断（Page Fault），此时操作系统会快速将所需页从磁盘加载到内存中。
分段（Segmentation）：
- 将虚拟内存划分为不同大小的段（如代码段、数据段等），通过段表实现虚拟地址与物理地址的映射。
- 分段方式更好地契合程序的逻辑结构，但管理上比分页更为复杂，对系统资源和管理能力的要求更高。
硬件支持
请求页表支持：请求页表在传统页表的基础上增加了状态位、访问字段、修改位和外存地址四个新字段，以支持请求调入和内存置换功能。状态位和外存地址是实现请求调入的关键字段，而修改位和访问字段的设置则取决于具体的写回策略和置换策略。
缺页中断机制：当CPU访问的页面不在内存中时，会触发缺页中断，以便将相应页面调入内存。与普通中断不同的是，缺页中断在指令执行周期内被触发后，CPU立即暂停当前指令的执行，并跳转到操作系统的缺页中断处理程序。操作系统负责将所需页加载到内存并更新页表，以确保指令能够继续执行。如果页面未成功加载，指令将无法正确运行。
地址转换机制：负责将虚拟地址转换为物理地址，通常依靠页表和TLB（转换后备缓冲区）的协同工作来实现。
优缺点
- 优点：
- 提高内存利用率：通过把不常用的内存数据交换到磁盘，释放出物理内存供其他进程使用，提升了内存资源的整体使用效率。
- 简化编程：内存管理对程序员透明，程序员无需关注物理内存的分配与管理细节，可将更多精力投入到程序逻辑开发中。
- 支持多任务：每个进程都有独立的虚拟地址空间，有力支持多任务并发执行，保障各进程运行的独立性和稳定性。
- 缺点：
- 性能开销：频繁的页表查找和缺页中断会对系统性能产生负面影响，导致系统运行速度下降。
- 复杂性：虚拟内存的实现增加了操作系统的复杂度，对系统的设计、开发和维护都提出了更高要求。
实际应用
- Linux：采用分页机制管理虚拟内存，借助页表和TLB加速地址转换，有效提升内存管理效率和系统性能。
- Windows：运用分页和分段相结合的方式管理虚拟内存，既能支持大内存，又能满足多任务并发执行的需求，适应多样化的用户场景和应用需求。
知识拓展
以32位计算机为例，由虚拟地址通过二级页表得到物理地址的示意图如下：
页框分配策略
固定分配局部置换：这种策略为每个进程预先分配固定数量的页框。当进程需要进行页面置换时，只能在其固定分配的页框内操作。需要强调的是，“固定分配全局置换”实际上是不存在的，因为全局置换会导致进程的页框数量（即驻留集）发生变化，而固定分配意味着页框数量不变，这两者本质上是矛盾的。
可变分配局部置换：该策略将置换操作限制在进程自身的页框集合内，以防止进程之间因页面置换而互相干扰。从分配的角度看，这种策略具有动态性，会根据进程的实际运行情况灵活调整页框数量。例如，当某个进程频繁发生缺页中断时，系统会增加其页框分配；相反，如果一个进程在一段时间内使用页框较少，系统可能会减少其页框分配，以提高内存资源的利用效率。
可变分配全局置换：此策略下，系统维护一个空闲页框队列。当程序出现缺页时，系统优先从空闲页框队列中分配一个空闲页框。如果队列中没有可用页框，系统将在整个内存空间中选择一个页面进行换出操作，以释放页框满足需求。这种策略更灵活地适应各程序的内存需求变化，但也可能因频繁的全局页面置换而影响系统性能。