זיכרון וירטואלי

הרעיון של זיכרון וירטואלי הוא להוסיף עוד רמה של הפשטה בארגון הזיכרון. תהליך המנסה לגשת לזיכרון בכתובת X (כתובת וירטואלית), ייגש בפועל לכתובת מתאימה Y (כתובת פיזית) בזיכרון הראשי של המחשב, או לכתובת Z בזיכרון משני כלשהו, בדרך כלל דיסק קשיח, שהוא זול יותר, ואז המידע המבוקש יישלף משם ויועתק לזיכרון הראשי. תרגום הכתובות מתבצע במקרים רבים בחומרה.

ארבע מטרות מושגות בדרך זו:

• גודל: גלגול האחריות על ניהול מדרג הזיכרון מהתוכנית אל מערכת ההפעלה. ההגבלה על גודל הזיכרון הזמין לתהליך איננה תלויה בגודל הזיכרון הראשי, שהוא מהיר אך יקר יחסית ולכן גם קטן, אלא בפרמטרים אחרים: גודל הדיסק הקשיח (שיכול להגיע לאלפי ג'יגה בייט), גודל המילה (word) במחשב - 32 או 64 ביט בדרך כלל - ושיטת הייצוג והתרגום של כתובות בזיכרון. אם תהליך דורש יותר זיכרון משמוקצה עבורו על הזיכרון הפיזי, יוקצה לו זיכרון על הדיסק. מידע יועבר בין הדיסק הקשיח לזיכרון הראשי לפי הצורך, תוך ניצול העובדה שאף תהליך לא משתמש בכל הזיכרון שהוא ביקש, בכל רגע נתון. בדרך כלל פעולות בזיכרון הן מקומיות - כלומר, קבוצה של פעולות קרובות בזיכרון יתבצעו ככל הנראה בכתובות קרובות.
• רצף: כאשר תהליך מבקש זיכרון רציף (עבור מערכים, למשל), הוא יכול להתייחס לזיכרון וירטואלי רציף, ואין צורך למצוא בזיכרון הראשי רצף של כתובות שאינן בשימוש.
• בידוד בין תהליכים: אם שני תהליכים שאינם משתפים זיכרון מנסים שניהם לגשת לכתובת X, הם ניגשים בפועל לכתובות שונות, אלא אם כן מערכת הזיכרון הווירטואלי (על פי רוב, מערכת ההפעלה) מסיקה שאין בעיה בשיתוף של כתובות פיזיות - אם המידע הדרוש זהה, והגישה היא לקריאה בלבד, או שמדובר במידע שמשותף במפורש בין תהליכים.
• ניהול יעיל יותר של החומרה: זיכרון RAM (על ידי הקטנת שברור), דיסקים קשיחים (על ידי איחוד גישות לסקטורים סמוכים), וזמן עיבוד (על ידי זימון תהליכים בהתאמה למידת הנגישות המיידית של המידע הדרוש להם).