Linuxシステムでは、プロセスの切り替え時にページングが重要な役割を果たします。特に、ページグローバルディレクトリ（PGD）やページミドルディレクトリ（PMD）の管理については、システムのパフォーマンスや効率性に大きな影響を与えます。本記事では、Linuxにおける3段階ページング（3-Level Paging）のしくみと、プロセス切り替え時のCR3レジスタとの関係について解説します。
1. ページングの基本概念とCR3レジスタ
ページングとは、仮想アドレスを物理メモリのページにマッピングするメカニズムです。Linuxでは、仮想メモリを管理するために、ページグローバルディレクトリ（PGD）、ページミドルディレクトリ（PMD）、ページテーブル（PT）などが階層的に使われます。プロセス切り替え時に重要なのは、CR3レジスタです。このレジスタには、現在アクティブなプロセスのページグローバルディレクトリ（PGD）の物理アドレスが格納されます。
Linuxでは、プロセスが切り替わると、カーネルは新しいプロセスに対応するPGDのアドレスをCR3レジスタに設定し、次のプロセスがアクセスするメモリ空間を切り替えます。
2. プロセスごとのページグローバルディレクトリ
質問者が述べているように、Linuxにおいては、各プロセスは必ず1つのページグローバルディレクトリ（PGD）を持ちます。PGDは、プロセスが使用する仮想メモリ空間全体を管理するため、各プロセスには独自のPGDが存在します。これは、プロセスごとのアドレス空間を隔離するために必要なものです。
例えば、プロセスAとプロセスBが異なる仮想メモリ空間を持っている場合、それぞれのプロセスには異なるPGDが必要です。これにより、各プロセスが他のプロセスのメモリにアクセスすることがないように管理されます。
3. ページミドルディレクトリの役割と管理
ページグローバルディレクトリ（PGD）に加えて、Linuxではページミドルディレクトリ（PMD）も使用されます。PMDは、PGDの下に位置し、仮想アドレス空間をさらに細かく管理します。つまり、PGDがトップレベルで、PMDがその下層の中間レベルを担当します。
プロセスは、1つのPGDを使用し、その下に複数のPMDを持つことができます。これは、仮想メモリの大規模な管理を効率的に行うために、PMDが複数存在することを意味します。したがって、複数のページミドルディレクトリが存在する場合がありますが、PGD自体は各プロセスに対して一意であることに変わりはありません。
4. 3段階ページングにおけるディレクトリの階層
Linuxの3段階ページング（3-Level Paging）では、PGD、PMD、ページテーブル（PT）の3つの階層が使用されます。これにより、大きな仮想アドレス空間を効率的に管理することができます。各階層の役割について簡単に説明します。
- ページグローバルディレクトリ（PGD）: 仮想メモリ空間の最上位を管理。
- ページミドルディレクトリ（PMD）: 中間階層で、仮想アドレス空間の大きなブロックを管理。
- ページテーブル（PT）: 実際の物理ページと仮想アドレスをマッピングする。
この3段階構造によって、メモリ管理が効率的に行われ、仮想メモリ空間の柔軟な割り当てが可能になります。
5. まとめ
Linuxにおけるプロセス切り替え時のページングメカニズムは、CR3レジスタを利用して、プロセスごとにページグローバルディレクトリ（PGD）のアドレスを切り替えることによって実現されます。各プロセスは1つのPGDを持ち、その下に複数のページミドルディレクトリ（PMD）を持つ構造となっており、これによって仮想メモリ空間を効率的に管理しています。
質問者の認識通り、各プロセスは1つのPGDを持ち、複数のPMDを持つという理解は基本的に正しいです。このメカニズムを理解することで、Linuxのメモリ管理の仕組みをより深く理解することができます。
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