A memória az egyik legfontosabb (és gyakran a legszukösebb) eroforrás, amivel egy operációs rendszernek gazdálkodnia kell; foleg a többfelhasználós rendszerekben, ahol gyakran olyan sok és nagy folyamat fut, hogy együtt nem férnek be egyszerre a memóriába. A memóriakezelésrol nem lesz szó a késobbi fejezetekben, ezért itt ismertetem a fontosabb fogalmakat.
Amíg a multiprogramozás nem jelent meg, addig az operációs rendszerben nem volt olyan nagy szükség a memóriakezelo részekre. A multiprogramozás megjelenésével azonban szükségessé vált a memóriának a futó folyamatok közötti valamilyen "igazságos" elosztására. A megoldást a virtuális memóriakezelés jelentette. Ez úgy muködik, hogy az operációs rendszer minden egyes folyamatnak ad a központi memóriából egy akkora részt, amelyben a folyamat még úgy ahogy muködik, és a folyamatnak csak azt a részét tartja a központi memóriában, amely éppen muködik. A folyamatnak azt a részét, amelyre nincs szükség (mert például már rég nem adódott rá a vezérlés, és feltételezhetjük, hogy rövid idon belül nem is fog végrehajtódni) ki kell rakni a háttértárra (a diszken az ún. lapozási területre). Ez a megoldás azért muködik, mert a programok legtöbbször egy eljáráson belül ciklusban dolgoznak, nem csinálnak gyakran nagy ugrásokat a program egyik végérol a másikra (ez a lokalitás elve).
A központi egység fel van szerelve egy úgynevezett memóriakezelo egységgel (MMU), amely figyeli, hogy olyan kódrészre kerül-e a vezérlés, amely nincs benn a központi memóriában (mert például a háttértárra van kirakva). Ha a memóriakezelo egység azt találja, hogy ez az eset áll fenn, akkor az operációs rendszert arra utasítja, hogy rakja ki a háttértárra a folyamatnak azt a részét, amely jelenleg a memóriában van, és azt a részt hozza be a helyére, amelyre ezután szükség lesz.
A virtuális memória kezelése leggyakrabban lapozással (paging) történik. Ekkor a virtuális memória (egy folyamat virtuális címtartománya, amit a CPU biztosít) fel lesz osztva egyenlo nagyságú részekre, ún. lapokra (pages) - a háttértár és a memória között legalább ennyi byteot fog az operációs rendszer átvinni (vagy ennek többszörösét). A fizikai memória pedig fel lesz osztva ugyanolyan méretu lapkeretekre (page frames). Ha mondjuk a virtuális címtartomány 128 KByte, és 64 KByte fizikai memória van a számítógépbe építve, akkor ez 32 lapot, és 16 lapkeretet jelent, ha a lapméret 4 KByte. Ha egy program végrehajt egy olyan (gépi kódú) utasítást, amely a memória valamelyik rekeszére hivatkozik (a hivatkozott memóriarekesz címét nevezik virtuális címnek), akkor ezt a címet eloször a processzor átadja az MMU-nak, ami majd egy fizikai memóriabeli címet állít elo belole. E feladatának ellátásához az MMU tárol egy ún. laptáblát (vagy legalábbis valamilyen módon hozzáfér a laptáblához), amely a lapok és lapkeretek egymáshoz rendelését tartalmazza egy speciális ún. "érvényességi" bittel, ami minden egyes laphoz tárolva van, és a bit értéke azoknál a lapoknál 1, amelyekhez tartozik a fizikai memóriában lapkeret. Az MMU muködése során egy kapott virtuális címhez tartozó lapról megvizsgálja, hogy az "érvényességi" bitje 1-e. Ha igen, akkor a megadott laphoz tartozó lapkeret sorszámát visszaadja a CPU-nak (mondjuk ... ez történhet így is), és az a kívánt adatot a megfelelo (fizikai memória-) rekeszbol megszerzi (vagyis azt csinál vele, amit a gépi kódú programban a végrehajtott gépikódú utasításban megadtak). Mi történik akkor, ha az "érvényességi" bit 0? Ekkor egy ún. hardware-interrupt (megszakítás) keletkezik, amit laphibának (page faultnak) neveznek. Ekkor kerül végrehajtásra az operációs rendszer memóriakezelo része, ami egy másik "érvényes" (fizikai memóriabeli) lapnak az 1-es érvényességi bitjét 0-ra állítja, és a hozzá tartozó lapkeretet a diszkre menti (az ún. lapozási területre). A lapkeretet ezután beírja a laptáblába ahhoz a laphoz, amelyhez a laphiba során hozzá akartak férni, betölti a diszkrol (lapozási területrol) a megfelelo laphoz tartozó lapkeret tartalmát, a laphoz tartozó "érvényességi" bitet 1-re állítja, és az MMU ezután már laphiba nélkül el tudja végezni a címtranszformációt.
Több programnak szüksége lehet esetleg több virtuális címtartományra is. Sok CPU lehetoséget ad szegmentált memóriakezelésre, ami annyit jelent, hogy a program több ún. szegmensben is tárolhat adatokat, és mindegyik szegmenshez külön-külön laptábla tartozhat (mondjuk ... de ez nem mindig van így). Minden szegmensnek van egy dinamikusan változtatható mérete, ami az adott szegmensben megengedett legmagasabb sorszámú memóriarekeszt adja meg. Ilyen rendszerekben a memória címzésekor meg kell adni egy szegmens-sorszámot és az azon belüli virtuális címet is. Ilyen CPU-kon gyakori az is, hogy az operációs rendszer rövid idore nemcsak egy-egy lapot, hanem egy egész szegmenst visz ki a háttértárra - lényegében azt nevezik swappingnek.
A fenti leírás alapján már megértheto a virtuális memóriakezelés lényege, de azt fontos megemlíteni, hogy ez a valódi (muködo) operációs rendszereknek az egyik legbonyolultabb része, és nagyon nehéz egyéb szempontoknak is megfelelo, ráadásul hatékony memóriakezelot írni.