面试题：C语言多维数组底层存储与指针运算深度剖析

Question

已知一个不规则的二维数组，通过指针数组实现，即`int *arr[3]`，其中`arr[0]`指向一个长度为2的`int`数组，`arr[1]`指向一个长度为3的`int`数组，`arr[2]`指向一个长度为4的`int`数组。请详细说明这种数据结构在内存中的存储布局，编写代码完成对该不规则二维数组所有元素的累加操作，并解释在指针运算过程中如何精准定位每个元素，以及与常规二维数组在存储和访问上的本质区别。

Answer 1

内存存储布局

1. int *arr[3] 是一个指针数组，在内存中，arr 本身占据一块连续的内存空间，存放三个指针 arr[0]、arr[1]、arr[2]。
2. arr[0] 指向一个长度为 2 的 int 数组，这 2 个 int 类型的数据在内存中是连续存储的。
3. arr[1] 指向一个长度为 3 的 int 数组，这 3 个 int 类型的数据在内存中是连续存储的，但与 arr[0] 指向的数组在内存位置上不一定连续。
4. arr[2] 指向一个长度为 4 的 int 数组，这 4 个 int 类型的数据在内存中是连续存储的，但与 arr[0] 和 arr[1] 指向的数组在内存位置上不一定连续。

代码实现累加操作

#include <stdio.h>

int main() {
    int arr1[2] = {1, 2};
    int arr2[3] = {3, 4, 5};
    int arr3[4] = {6, 7, 8, 9};
    int *arr[3] = {arr1, arr2, arr3};

    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        for (int j = 0; j < (i == 0? 2 : (i == 1? 3 : 4)); j++) {
            sum += arr[i][j];
        }
    }
    printf("Sum of all elements: %d\n", sum);
    return 0;
}

指针运算精准定位元素

1. 对于 arr[i][j]，首先通过 arr[i] 获取到第 i 个指针，该指针指向一个 int 数组。
2. 然后通过 arr[i][j]，相当于 *(arr[i] + j)，在该指针指向的数组中偏移 j 个 int 类型的大小，从而精准定位到具体元素。

与常规二维数组在存储和访问上的本质区别

存储区别

1. 常规二维数组：在内存中是按行连续存储的，例如 int a[3][4]，所有 12 个 int 元素在内存中是连续排列的。
2. 指针数组实现的不规则二维数组：各个子数组在内存中不一定连续，指针数组 arr 存放的是各个子数组的起始地址。

访问区别

1. 常规二维数组：访问元素 a[i][j] 时，计算偏移量的公式是固定的，即 i * 列数 + j，可以直接通过数组首地址加上偏移量定位到元素。
2. 指针数组实现的不规则二维数组：访问元素 arr[i][j] 时，先通过 arr[i] 获取子数组的首地址，再在子数组内通过偏移 j 个 int 大小来定位元素，由于每个子数组长度不同，不能像常规二维数组那样使用统一的偏移量计算公式。