SharpLab で理解する「参照型」のメモリ配置

2025年7月29日2026年8月28日

― Book クラスと string フィールドを題材に

1. はじめに
2. 1. スタックとヒープに現れる構造
3. 2. スクリーンショットの読み方（抜粋）
4. 3. 実験：SharpLab で確認してみよう
5. 4. ガベージコレクションとの関係
6. 5. まとめ

はじめに

SharpLab

C#/VB/F# compiler playground.

https://sharplab.io/#v2:C4LgTgrgdgNAJiA1AHwLACgBCB7bBrAAgCNc...

C# の 参照型 (class) が実行時にどのようにヒープとスタックへ展開されるかを視覚的に確認できるツールとして、SharpLab には Inspect.* API が用意されています。本記事では次のコードを SharpLab で実行した際に表示される MemoryGraph を読み解き、参照・ヒープ・スタック・ガベージコレクション (GC) の関係を解説します。

注意：「参照型＝ヒープ、値型＝スタック」と単純に対応づけることはできません。配置は実行時の状況や JIT の最適化などに左右され、参照型への参照がヒープ上のオブジェクト内に置かれる場合や、値型の値がヒープ上のオブジェクトに含まれる場合もあります。SharpLab の図は、このコードを実行したときの一例として読みましょう。

Book book1 = new Book();
Inspect.MemoryGraph(book1);     // ①
book1.Title = "吾輩は猫である";
Inspect.MemoryGraph(book1);     // ②
Inspect.Stack(book1);           // ③
Inspect.Heap(book1);            // ④

Book book2 = new Book();
Inspect.MemoryGraph(book2);     // ⑤
Inspect.Stack(book2);           // ⑥
Inspect.Heap(book2);            // ⑦

class Book
{
    public string Title = "";   // 明示的に空文字で初期化
}

ポイント

Inspect.MemoryGraph … 変数から到達可能なオブジェクトグラフ全体を描画
Inspect.Stack … スタックフレーム上のローカル変数を描画
Inspect.Heap … 対象オブジェクトのヒープ内レイアウトを描画

1. スタックとヒープに現れる構造

1-1. 変数 book1 / book2

この例で SharpLab のスタック欄に表示される book1: Book ref は、Book インスタンスへの参照を表します。16 進数の表示は参照先を区別するための実装上の表現であり、C# のコードでアドレスを直接扱っていると考える必要はありません。
このコードでは new を 2 回実行しているため、book1 と book2 はそれぞれ別の Book インスタンスを参照しています。

1-2. Book オブジェクト本体

ヒープ上に二つの Book インスタンスが生成されます。
各インスタンスは
- header（同期ブロックなど）
- type handle（型情報を参照するための実装上の情報）
- フィールド Title（String への参照）をメンバーとして持ちます。

1-3. フィールド Title

フィールド自体も参照です。
フィールド宣言で “" を代入しているため、初期状態の Title には空文字の String インスタンスへの参照が入っています。
代入後 (book1.Title = “吾輩は猫である") は、別の String インスタンスへの参照に切り替わります。Book オブジェクト本体のサイズは変わりません。

2. スクリーンショットの読み方（抜粋）

SharpLab の枠	意味	注目点
book1: Book ref（Stack）	スタックフレーム内のローカル変数 book1	Book インスタンスへの参照。16 進数表示は参照先を区別するための実装上の表現
Pointer to Book → Book at 0x…	上記の参照先として表示される Book インスタンス	同一プログラム内のすべての Book が同じ type handle を共有
Title: String ref	Book のフィールド	代入前は空文字インスタンス、代入後は新しいインスタンスを指す
String: 吾輩は猫である	String オブジェクト本体	文字列は不変 (immutable) なので書き換えではなく新規生成

3. 実験：SharpLab で確認してみよう

3-1. 参照共有の可視化

book2.Title = book1.Title;       // 同じ String を共有
Inspect.MemoryGraph(book1);
Inspect.MemoryGraph(book2);

参照型の変数同士を代入すると参照がコピーされ、book1とbook2が同じBookインスタンスを参照する図 — 参照がコピーされると、複数の変数が同じオブジェクトを参照できます。オブジェクト本体がコピーされるわけではありません。

どちらの Title も同一 String オブジェクトを指していることが図で確認できます。

3-2. 文字列の不変性

book2.Title = book2.Title + "（新装版）";
Inspect.MemoryGraph(book2);

string は不変なので、連結結果は新しい String インスタンスになります。旧インスタンスへ到達可能な参照がなくなると、GC の回収対象になり得ます。

3-3. null と “" の違い

book2.Title = null;
Inspect.MemoryGraph(book2);

Title フィールドが null 参照となり、空文字インスタンスとの違いを可視化できます。

4. ガベージコレクションとの関係

GC はスタック上の変数だけでなく、静的フィールドなどのルートからオブジェクトへの到達可能性をたどります。オブジェクトへ到達可能な参照がなくなると、回収対象になり得ます。ただし、すぐに回収されることを意味するわけではありません。

状態	GC との関係
book1 / book2 などから到達可能	到達可能な間は回収対象になりません
ある Book へ到達可能な参照がなくなる	その Book は回収対象になり得る
共有された String へ到達可能な参照がすべてなくなる	その String も回収対象になり得る