Чтобы процесс удачно запросил виртуальную память, он должен вызвать VirtualAlloc дважды?

Обязывать программу ставить явные запросы на выделение требуемой реальной памяти – оказывается не просто "экономичнее", а - это единственно экономически приемлемое решение.

Как это делается? Довольно просто. Адресное пространство "согласно приведённой карте" - священная частная собственность процесса. И как его процесс внутри самого себя распределяет - дело процесса. Процесс вызывает из себя специальную функцию API VirtualAlloc и сообщает этим вызовом операционной системе, что он хотел бы зарезервировать регион – диапазон адресов от M до N , которому он может быть захочет сопоставить некоторую физическую память. Регион не может быть прерывистым и смежные регионы не могут пересекаться. За этим следит система и она не даст зарезервировать пересекающиеся регионы. Резервирование региона приводит внутри операционной системы к созданию каких-то структур, связанных с управлением памятью и по своей сути аналогично запросу к функции malloc - если кому-то выдан адрес данного региона, то никому другому его уже не выдадут.

Резервирование региона означает резервирование памяти. Но само по себе не означает того, что эта память предоставляется "в натуре". Для того, чтобы в этом регионе появились страницы памяти реальной необходимо вызвать функцию VirtualAlloc и указать, что региону требуется предоставить страницы реальной памяти. Система выделит запрошенное количество страниц – она физически заведёт их в страничном файле подкачки и свяжет с данным регионом. Так что обращение по этим адресам будет вызывать страничную ошибку и далее – как описано в предыдущем разделе. Отметьте - можно завести очень большой регион и выделить ему только несколько страниц реальной памяти, причём - не обязательно подряд, а именно "в тех местах", где это требуется.

Почему процесс сделан в две ступени? Главным образом потому...