.NET9 实现排序算法（MergeSortTest 和 QuickSortTest）性能测试

在 .NET 9 平台下，我们对两种经典的排序算法 MergeSortTest（归并排序）和 QuickSortTest（快速排序）进行了性能基准测试（Benchmark），以评估它们在不同数据规模下的执行效率、内存分配及垃圾回收行为。

测试使用了 BenchmarkDotNet 工具，确保结果具有高度可重复性和统计意义。

• Datadog.Trace.BenchmarkDotNet

🧪 测试环境

• 运行时（Runtime）：.NET 9.0.6 (X64 RyuJIT AVX2)
• 操作系统：Windows 11 24H2（开发预览版）
• SDK 版本：.NET SDK 9.0.301
• 测试工具：BenchmarkDotNet v0.15.2
• 测试参数：
  • 数据量 N = 100, 1000, 10000（分别模拟小、中、大数据集）

项目准备

创建项目

使用 .net cli 创建控制台项目，执行如下命令：

dotnet new console -n SortTest
cd SortTest

# 安装 nuget 包 Datadog.Trace.BenchmarkDotNet
dotnet add package Datadog.Trace.BenchmarkDotNet

控制台项目 SortTest.csproj 信息如下：

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">

  <PropertyGroup>
    <OutputType>Exe</OutputType>
    <TargetFramework>net9.0</TargetFramework>
    <ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings>
    <Nullable>enable</Nullable>
    <PublishAot>true</PublishAot>
    <InvariantGlobalization>true</InvariantGlobalization>
  </PropertyGroup>

  <ItemGroup>
    <PackageReference Include="Datadog.Trace.BenchmarkDotNet" Version="2.61.0" />
  </ItemGroup>

</Project>

排序算法实现

• 归并排序

// =============================
// 排序算法实现：归并排序
// =============================

namespace SortTest;

public class MergeSort
{
    public static void Sort(int[] array)
    {
        if (array.Length <= 1) return;

        int mid = array.Length / 2;
        int[] left = array[..mid];
        int[] right = array[mid..];

        Sort(left);
        Sort(right);

        Merge(array, left, right);
    }

    private static void Merge(int[] result, int[] left, int[] right)
    {
        int i = 0, j = 0, k = 0;

        while (i < left.Length && j < right.Length)
        {
            if (left[i] <= right[j])
                result[k++] = left[i++];
            else
                result[k++] = right[j++];
        }

        while (i < left.Length)
            result[k++] = left[i++];

        while (j < right.Length)
            result[k++] = right[j++];
    }
}

• 快速排序

// =============================
// 排序算法实现：快速排序
// =============================

namespace SortTest;

public class QuickSort
{
    public static void Sort(int[] array, int low, int high)
    {
        if (low < high)
        {
            int pivotIndex = Partition(array, low, high);
            Sort(array, low, pivotIndex - 1);
            Sort(array, pivotIndex + 1, high);
        }
    }

    private static int Partition(int[] array, int low, int high)
    {
        int pivot = array[high];
        int i = low - 1;

        for (int j = low; j < high; j++)
        {
            if (array[j] <= pivot)
            {
                i++;
                Swap(array, i, j);
            }
        }

        Swap(array, i + 1, high);
        return i + 1;
    }

    private static void Swap(int[] array, int i, int j)
    {
        if (i != j)
        {
            int temp = array[i];
            array[i] = array[j];
            array[j] = temp;
        }
    }
}

添加测试基准

• Benchmark 测试类

// =============================
// Benchmark 测试类
// =============================

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using Datadog.Trace.BenchmarkDotNet;

namespace SortTest;

[DatadogDiagnoser]
[MemoryDiagnoser]
public class SortingBenchmark
{
    private int[] data = [];

    [Params(100, 1000, 10000)] // 不同数据规模
    public int N;

    [GlobalSetup]
    public void Setup()
    {
        var random = new Random(42); // 固定种子以保证重复性
        data = Enumerable.Range(0, N).Select(_ => random.Next(0, N)).ToArray();
    }

    [Benchmark]
    public void MergeSortTest()
    {
        var copy = (int[])data.Clone();
        MergeSort.Sort(copy);
    }

    [Benchmark]
    public void QuickSortTest()
    {
        var copy = (int[])data.Clone();
        QuickSort.Sort(copy, 0, copy.Length - 1);
    }
}

使用基准测试

在 Program.cs 添加如下代码：

using BenchmarkDotNet.Configs;
using BenchmarkDotNet.Running;
using Datadog.Trace.BenchmarkDotNet;

namespace SortTest;

internal class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Hello, SortingBenchmark!");

        var config = DefaultConfig.Instance
            .WithDatadog();

        BenchmarkRunner.Run<SortingBenchmark>(config);
    }
}

启动项目基准测试，使用 pwsh 执行如下命令：

dotnet run -c Release

下面这些文本信息是使用 BenchmarkDotNet 工具对两种排序算法（MergeSortTest 和 QuickSortTest）进行性能测试后生成的报告。

BenchmarkDotNet v0.15.2, Windows 11 (10.0.26100.4484/24H2/2024Update/HudsonValley)
Unknown processor
.NET SDK 9.0.301
  [Host]     : .NET 9.0.6 (9.0.625.26613), X64 AOT AVX2
  DefaultJob : .NET 9.0.6 (9.0.625.26613), X64 RyuJIT AVX2

以下是关键内容的通俗解释：

📊 测试目标

对两种排序算法在不同数据量下的性能进行对比分析，包括：

• 执行时间（Mean）
• 内存分配（Allocated）
• 垃圾回收情况（Gen0, Gen1）

测试分别在以下数据规模下运行：

• N = 100
• N = 1000
• N = 10000

🧪 性能对比结果

✅ 结论：

• QuickSortTest 的平均耗时和内存占用都明显低于 MergeSortTest
• 随着数据量增加，两者的差距也越来越大
• QuickSortTest 在性能和资源消耗方面更优

⚠️ 警告与提示

📌 多峰分布警告（Multimodal Distribution）

• MergeSortTest 的部分测试结果显示为多峰分布（mValue = 3.23），说明其运行时间波动较大，可能受外部因素影响。

📌 异常值（Outliers）

• 报告中指出某些测试存在异常值并已被剔除：
  • MergeSortTest: 移除了 4 个异常值
  • QuickSortTest: 不同数据规模下检测到多个异常值并移除

📋 统计指标含义简述

🖼️ 直方图（Histogram）

每组测试后都有一个简单的直方图，用字符 @ 表示不同时间段内执行次数的分布，帮助可视化执行时间的集中趋势。

📈 小结

• QuickSortTest 在所有测试中表现更优
  • 更快的执行速度
  • 更少的内存分配
  • 更低的垃圾回收压力
• MergeSortTest 性能较差且波动较大
  • 特别是在大数据量（N=10000）时表现不佳
  • 存在较多异常值，稳定性不如 QuickSort

如果你希望进一步优化 MergeSort 或想了解为何它表现不佳，可以结合代码逻辑、递归深度、内存使用等因素进行深入分析。