內存是計算機的主存儲器。內存爲進程開闢出進程空間，讓進程在其中保存數據。我將從內存的物理特性出發，深入到內存管理的細節，特別是瞭解虛擬內存和內存分頁的概念。
內存
簡單地說，內存就是一個數據貨架。內存有一個最小的存儲單位，大多數都是一個字節。內存用內存地址（memory address）來爲每個字節的數據順序編號。因此，內存地址說明了數據在內存中的位置。內存地址從0開始，每次增加1。這種線性增加的存儲器地址稱爲線性地址（linear address）。爲了方便，我們用十六進制數來表示內存地址，比如0x00000003、0x1A010CB0。這裏的“0x”用來表示十六進制。“0x”後面跟着的，就是作爲內存地址的十六進制數。
內存地址的編號有上限。地址空間的範圍和地址總線（address bus）的位數直接相關。CPU通過地址總線來向內存說明想要存取數據的地址。以英特爾32位的80386型CPU爲例，這款CPU有32個針腳可以傳輸地址信息。每個針腳對應了一位。如果針腳上是高電壓，那麼這一位是1。如果是低電壓，那麼這一位是0。32位的電壓高低信息通過地址總線傳到內存的32個針腳，內存就能把電壓高低信息轉換成32位的二進制數，從而知道CPU想要的是哪個位置的數據。用十六進制表示，32位地址空間就是從0x00000000 到0xFFFFFFFF。
內存的存儲單元採用了隨機讀取存儲器（RAM， Random Access Memory）。所謂的“隨機讀取”，是指存儲器的讀取時間和數據所在位置無關。與之相對，很多存儲器的讀取時間和數據所在位置有關。就拿磁帶來說，我們想聽其中的一首歌，必須轉動帶子。如果那首歌是第一首，那麼立即就可以播放。如果那首歌恰巧是最後一首，我們快進到可以播放的位置就需要花很長時間。我們已經知道，進程需要調用內存中不同位置的數據。如果數據讀取時間和位置相關的話，計算機就很難把控進程的運行時間。因此，隨機讀取的特性是內存成爲主存儲器的關鍵因素。
內存提供的存儲空間，除了能滿足內核的運行需求，還通常能支持運行中的進程。即使進程所需空間超過內存空間，內存空間也可以通過少量拓展來彌補。換句話說，內存的存儲能力，和計算機運行狀態的數據總量相當。內存的缺點是不能持久地保存數據。一旦斷電，內存中的數據就會消失。因此，計算機即使有了內存這樣一個主存儲器，還是需要硬盤這樣的外部存儲器來提供持久的儲存空間。
虛擬內存
內存的一項主要任務，就是存儲進程的相關數據。我們之前已經看到過進程空間的程序段、全局數據、棧和堆，以及這些這些存儲結構在進程運行中所起到的關鍵作用。有趣的是，儘管進程和內存的關係如此緊密，但進程並不能直接訪問內存。在Linux下，進程不能直接讀寫內存中地址爲0x1位置的數據。進程中能訪問的地址，只能是虛擬內存地址（virtual memory address）。操作系統會把虛擬內存地址翻譯成真實的內存地址。這種內存管理方式，稱爲虛擬內存（virtual memory）。
每個進程都有自己的一套虛擬內存地址，用來給自己的進程空間編號。進程空間的數據同樣以字節爲單位，依次增加。從功能上說，虛擬內存地址和物理內存地址類似，都是爲數據提供位置索引。進程的虛擬內存地址相互獨立。因此，兩個進程空間可以有相同的虛擬內存地址，如0x10001000。虛擬內存地址和物理內存地址又有一定的對應關係，如圖1所示。對進程某個虛擬內存地址的操作，會被CPU翻譯成對某個具體內存地址的操作。