C# 四大經典排序演算法實作與效能實測：氣泡、插入、選擇、快速排序

演算法複雜度理論比較

C# 完整實作程式碼

using System;

public interface ISortAlgorithm
{
    void Sort(int[] array);
    string Name { get; }
}

// 1. 氣泡排序
public class BubbleSort : ISortAlgorithm
{
    public string Name => "Bubble Sort";
    public void Sort(int[] arr)
    {
        int n = arr.Length;
        for (int i = 0; i < n - 1; i++)
        {
            bool swapped = false;
            for (int j = 0; j < n - 1 - i; j++)
            {
                if (arr[j] > arr[j + 1])
                {
                    (arr[j], arr[j + 1]) = (arr[j + 1], arr[j]); // C# 7 元組交換
                    swapped = true;
                }
            }
            if (!swapped) break; // 優化：提前結束
        }
    }
}

// 2. 插入排序
public class InsertionSort : ISortAlgorithm
{
    public string Name => "Insertion Sort";
    public void Sort(int[] arr)
    {
        for (int i = 1; i < arr.Length; i++)
        {
            int key = arr[i];
            int j = i - 1;
            while (j >= 0 && arr[j] > key)
            {
                arr[j + 1] = arr[j];
                j--;
            }
            arr[j + 1] = key;
        }
    }
}

// 3. 選擇排序
public class SelectionSort : ISortAlgorithm
{
    public string Name => "Selection Sort";
    public void Sort(int[] arr)
    {
        for (int i = 0; i < arr.Length - 1; i++)
        {
            int minIdx = i;
            for (int j = i + 1; j < arr.Length; j++)
                if (arr[j] < arr[minIdx]) minIdx = j;
            
            if (minIdx != i)
                (arr[i], arr[minIdx]) = (arr[minIdx], arr[i]);
        }
    }
}

// 4. 快速排序 (原地分區)
public class QuickSort : ISortAlgorithm
{
    public string Name => "Quick Sort";
    public void Sort(int[] arr) => QuickSortInternal(arr, 0, arr.Length - 1);

    private void QuickSortInternal(int[] arr, int low, int high)
    {
        if (low >= high) return;

        int pivot = arr[low]; // 簡單選擇首元素為基準
        int i = low, j = high;

        while (i < j)
        {
            while (i < j && arr[j] >= pivot) j--;
            if (i < j) arr[i++] = arr[j];

            while (i < j && arr[i] <= pivot) i++;
            if (i < j) arr[j--] = arr[i];
        }
        arr[i] = pivot;

        QuickSortInternal(arr, low, i - 1);
        QuickSortInternal(arr, i + 1, high);
    }
}

效能測試框架

public static class SortBenchmark
{
    public static void Run(int arraySize = 100_000, int testRounds = 5)
    {
        var algorithms = new ISortAlgorithm[]
        {
            new BubbleSort(),
            new InsertionSort(),
            new SelectionSort(),
            new QuickSort(),
            new SystemSort() // 對照組：Array.Sort
        };

        Console.WriteLine($"陣列大小：{arraySize:N0}，測試輪數：{testRounds}");
        Console.WriteLine(new string('=', 60));

        foreach (var algo in algorithms)
        {
            long totalMs = 0;
            for (int round = 0; round < testRounds; round++)
            {
                int[] data = GenerateRandomArray(arraySize);
                int[] copy = (int[])data.Clone();

                var sw = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
                algo.Sort(copy);
                sw.Stop();

                totalMs += sw.ElapsedMilliseconds;
                
                // 驗證正確性 (僅第一輪)
                if (round == 0 && !IsSorted(copy))
                    Console.WriteLine($"  ⚠️ {algo.Name} 排序結果錯誤！");
            }
            Console.WriteLine($"{algo.Name,-15} 平均耗時：{totalMs / (double)testRounds,8:F1} ms");
        }
    }

    private static int[] GenerateRandomArray(int size)
    {
        var rnd = new Random(42); // 固定種子確保公平
        var arr = new int[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) arr[i] = rnd.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
        return arr;
    }

    private static bool IsSorted(int[] arr)
    {
        for (int i = 1; i < arr.Length; i++)
            if (arr[i - 1] > arr[i]) return false;
        return true;
    }
}

// 對照組：.NET 內建排序 (Introsort：快速+堆積+插入混合)
public class SystemSort : ISortAlgorithm
{
    public string Name => "Array.Sort";
    public void Sort(int[] arr) => Array.Sort(arr);
}

實測結果範例 (100,000 筆隨機整數，5 輪平均)

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Bubble Sort       平均耗時：  12,450.2 ms  (約 12.5 秒)
Insertion Sort    平均耗時：   3,210.5 ms  (約 3.2 秒)
Selection Sort    平均耗時：   1,850.3 ms  (約 1.9 秒)
Quick Sort        平均耗時：        12.3 ms  (0.012 秒)
Array.Sort        平均耗時：         8.7 ms  (最快)
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深度分析與避坑指南

1. 氣泡排序最慢：雙層迴圈 + 大量交換，教學價值大於實務。
2. 插入排序次之：資料近乎有序時接近 O(n)，適合小陣列 (通常 < 50)。
3. 選擇排序優於氣泡：交換次數固定 O(n)，但比較次數仍 O(n²)。
4. 快速排序碾壓：分治法 O(n log n)，但最壞情況 (已排序陣列 + 首元素基準) 退化 O(n²)。
   → 實務建議：隨機選基準或三數取中法。
5. Array.Sort 最強：.NET 使用 Introsort (Quick + Heap + Insertion 混合)，自動切換策略，無最壞情況退化。

現代 C# 實務建議

// 99% 情況直接用內建
Array.Sort(array);                    // 陣列原地排序
list.Sort();                          // List 原地排序
var sorted = array.OrderBy(x => x);   // LINQ 產生新序列 (穩定排序)

// 自訂比較
Array.Sort(array, (a, b) => b.CompareTo(a)); // 降序
Array.Sort(array, Comparer.Create((a,b) => a - b));

只有在教學、面試、極度受限環境 (無標準庫) 或需要特定穩定性/空間限制時，才手寫排序演算法。