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我们日常使用的操作系统都是支持同时运行多个程序的，从技术的角度来看，这并不是一件容易做到的事情，想要支持这一特性，需要解决很多问题，笔者在这里列举几个最典型的问题。
1.内存地址隔离问题
对于操作系统来说，应用程序是不能直接访问真实的内存（也称为物理内存）的。如果应用程序有这样的权限，那么不同的应用程序所使用的内存地址便无法相互隔离，此时恶意或非恶意的程序都可以很容易地改写其他程序的内存数据，导致内存数据被改写的程序产生数据安全或程序崩溃等严重问题。因此操作系统禁止了应用程序直接访问物理内存，并且给每个应用程序的进程创建一个“中间层”，每个进程都只能在其独有的“中间层”中读写数据，然后再由系统将“中间层”的数据映射到物理内存中，这样不同的进程便有自己独立的内存地址空间，可以独立运行而不互相干扰，从而实现各个程序间的内存地址隔离。
2.内存使用效率问题
为了确保程序运行的效率，程序被装载到内存中时地址空间都是连续的，但是内存的容量是有限的，所以很可能在加载几个程序后，就没有连续的大块内存给下一个程序使用了。这个时候，如果我们想继续执行新的程序，就只能将之前程序的数据暂时写回磁盘里，等到后面需要用到的时候再读回来。这个过程中有大量的数据被换入换出，程序的执行效率及性能自然就十分低下。所以想要提升内存的使用效率，就需要程序可以使用非连续的内存地址，而这又与程序的运行效率相冲突。操作系统的做法是创建一个地址连续的“中间层”，程序的数据都加载在这个连续的“中间层”中，然后由系统将“中间层”的连续地址映射到非连续的物理内存地址中。
3.地址稳定性问题
程序在运行过程中想要执行某个函数，首先需要知道这个函数在内存中的地址，如果程序是直接加载在物理内存中的，那么它很可能不是从地址0开始加载的，而是从中间某一个地址开始，所以函数的地址是不确定的。
解决函数地址不确定问题的方法依然是给每个进程创建一个独立的“中间层”，并且这个“中间层”的地址都是从0开始的。由于程序只能加载进这个“中间层”，我们就能确保程序一定是从地址0开始加载的，这样函数的地址不会发生改变，并能在编译时确定。
通过上文可以看到，操作系统都是通过创建一个“中间层”来解决几个典型问题的，这个“中间层”就是虚拟内存，可以说虚拟内存是现代操作系统中最重要的技术之一。那么什么是虚拟内存呢？虚拟内存又是如何解决上文提到的各种问题的呢？我们接着往下看。