数组排序方法的性能比较（2）：Array.Sort实现分析

2019-11-17 03:50:43

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供稿：网友

昨天我们比较了Array.Sort<T>方法与LINQ排序的性能，知道了LINQ排序的性能以较大幅度落后于Array.Sort<T>方法。而对于Array.Sort<T>来说，性能最高的是其中使用Comparer<int>.Default作为比较器的重载方法。在前文的末尾我们做出了推测：由于排序算法已经近乎一个标准了（快速排序），因此从算法角度来说，Array.Sort<T>方法和LINQ排序上不应该有那么大的差距，因此造成两者性能差异的原因，应该是具体实现方式上的问题。

下载.NET框架的代码
既然是比较实现的区别，那么阅读代码是很直接的选择。谈到阅读.NET代码，我们往往会使用.NET Reflector将框架的程序集反编译为C#代码——不排除有朋友喜欢观察IL，并认为它们更直接，更底层。不过我倒觉得在绝大部分情况下，IL能看出的东西从C#也能看出，而C#无法了解的IL也帮不上忙，因此许多“由IL发现问题”的文章其实只是自己和自己在爽。

不过，虽然.NET Reflector将程序集反编译成非常优秀的C#代码，但是还是无法恢复之前的不少信息。例如，局部变量名无法得知，这就给理解代码意图造成了困难。再例如，为了可读性我们可能会将一些条件语句分开写，而C#编译器则可能把它们连做一块儿。至于注释等明显会被去除的东西就更不用说了。因此，在能直接读到代码的情况下，我并不倾向于使用.NET Reflector。

您可能会说：这不是废话么，不过有些类库——如.NET框架并没有提供源代码，这又有什么办法呢？其实微软也已经公布了.NET框架相当部分程序集的源代码（几乎所有v2.0的程序集，如mscrolib，System，System.Web等等），而且它们其实都可以使用NetMassDownloader直接下载到本地。随员代码发布的还有方便调试的pdb文件，不过这是另一个话题了，我们现在只关心源代码。

因此，我建议您将所有微软提供的源代码都下载到本地。在看不懂.NET Reflector的反编译结果时，不妨参考一下源代码——还是包含注释的源代码。

Array.Sort<T>方法实现
各Array.Sort<T>方法的重载最终都会委托给下面这个重载来执行：

public static void Sort<T>(T[] array, int index, int length, IComparer<T> comparer)
{
    ...

    if (length > 1)
    {
        // <STRip>
        // TrySZSort is still faster than the generic implementation.
        // The reason is Int32.CompareTo is still expensive than just using "<" or ">".
        // </STRIP>
        if (comparer == null || comparer == Comparer<T>.Default)
        {
            if (TrySZSort(array, null, index, index + length - 1))
            {
                return;
            }
        }

        ArraySortHelper<T>.Default.Sort(array, index, length, comparer);
    }
}我们知道，从逻辑上说，Array.Sort<T>方法会使用IComparer<T>类型的比较器来判断两个元素的大小。不过在这里，.NET框架作了一个“特例”，它在用户没有提供比较器，或是直接使用默认比较器的时候利用TrySZSort方法进行排序。如果TrySZSort方法如果返回true，则表示排序完成，直接返回。如果它返回false，则继续使用内置的排序方法进行处理。那么TrySZSort又是如何实现的呢？

PRivate static extern bool TrySZSort(Array keys, Array items, int left, int right);这是一个extern方法，说明它是由CLR直接实现的，我们无法得知它的具体算法或是意图。不够从注释中可以得知，这个做法的目的是提高性能（明白注释的优势了吧）。每次使用IComparer<T>的Compare方法进行比较的时候相当于是一次虚方法的调用，CLR需要计算它的偏移量，也无法将其内联。这个细节相对于直接进行int的大小比较来说，也是有较大开销的。使用TrySZSort这种外部方法进行排序，有助于提高在特定情况下的执行效率。

因此，我们应该可以有足够信心来推断出TrySZSort的作用。TrySZSort方法的作用是对一些可以直接进行比较的原生类型（如int等）进行排序，如果它发现自己无法支持数组中元素的类型，那么就返回false，否则便排序后并返回true。如果TrySZSort返回false，便会使用ArraySortHelper进行排序。而其中的实现便是标准（真的很标准）的快速排序，如果您感兴趣的话可以自行阅读其中的代码。

值得注意的是，Array是定义在System命名空间下的类型，而ArraySortHelper则定义在System.Collections.Generic命名空间下。在阅读微软提供的源代码时有个麻烦之处便是不容易导航，例如ArraySortHelper类便让我一顿好找。不过，其实我们也可以配合.NET Reflector中强大的导航功能来快速定位到某个类的位置，然后直接去查找它对应的文件。当然，如果您索引了文件内容，也可以查找类似“class ArraySortHelper”这样的关键字，也可以很快找到特定文件。

Array.Sort<T>其他重载的性能
以上，我们已经知道为什么使用Comparer<int>.Default作为比较器时性能最高了，因为对于int类型来说，Array.Sort<T>方法会使用最快的TrySZSort方法进行排序。而如果我们使用自定义的Int32Comparer进行比较的话，Compare方法调用的开销是无可避免的，根据实验结果，使用Int32Comparer的执行时间比前者有80%的增加也可以接受。

那么使用委托进行排序的时候为什么比Int32Comparer更慢一些呢？且看其代码：

public static void Sort<T>(T[] array, Comparison<T> comparison)
{
    ...

    IComparer<T> comparer = new FunctorComparer<T>(comparison);
    Sort<T>(array, comparer);
}其实原因很简单，因为.NET框架使用了FunctorComparer封装了comparison委托。这样在每次比较时，它相对于Int32Comparer来说还增加了委托执行的开销——这又相当于一次虚方法的调用：需要寻址，无法内联。

至此，我们已经分析了Array.Sort<T>各重载的实现方式，也了解了三种Array.Sort<T>重载性能有别的原因。刚好，不久前姜敏兄又回应了我的文章，认为使用Person类，而不是int类型进行比较的时候，仍旧是LINQ排序比较快——由此他认为两种做法的性能和类型也有关系。您认为这个说法正确吗？其实从实现上看，Array.Sort<T>几乎已经是最优的做法了。相反，LINQ排序由于会生成额外的序列，性能想要超过Array.Sort<T>几乎是件不可能的事情。但事实真是如此吗？

那这测试结果……我也写了一个Person类的测试（http://gist.github.com/282796），还是Array.Sort<T>比较快。那么为什么两个结果会有所不同呢？这是一个值得探讨的问题。

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