使用 Stopwatch 精準測量程式碼效能

現代 CPU 多核心、超標量架構、快取與指令管線導致同一程式碼執行時間波動高達 25-30%。本文介紹如何配置 System.Diagnostics.Stopwatch 達到 0.1-0.2% 測量精度，使演算法比較具備統計意義。

干擾因素與對策

完整基準測試範例

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;

namespace PreciseMeasure {
    class Program {
        static void Main(string[] args) {
            Stopwatch sw = new Stopwatch();
            long seed = Environment.TickCount;
            long result = 0;
            int count = 100_000_000;

            Console.WriteLine("20 Tests WITHOUT correct preparation");
            for (int i = 0; i < 20; ++i) {
                sw.Reset(); sw.Start();
                result ^= TestFunction(seed, count);
                sw.Stop();
                Console.WriteLine($"Ticks: {sw.ElapsedTicks}  mS: {sw.ElapsedMilliseconds}");
            }

            // === 正確配置 ===
            Process.GetCurrentProcess().ProcessorAffinity = new IntPtr(2);
            Process.GetCurrentProcess().PriorityClass = ProcessPriorityClass.High;
            Thread.CurrentThread.Priority = ThreadPriority.Highest;

            Console.WriteLine("\n20 Tests WITH correct preparation");
            Console.WriteLine("Warmup...");
            sw.Reset(); sw.Start();
            while (sw.ElapsedMilliseconds < 1200) { // 1.2 秒暖機
                result = TestFunction(seed, count);
            }
            sw.Stop();

            for (int i = 0; i < 20; ++i) {
                sw.Reset(); sw.Start();
                result ^= TestFunction(seed, count);
                sw.Stop();
                Console.WriteLine($"Ticks: {sw.ElapsedTicks}  mS: {sw.ElapsedMilliseconds}");
            }
            Console.WriteLine(result); // 防止編譯器優化移除
        }

        public static long TestFunction(long seed, int count) {
            long result = seed;
            for (int i = 0; i < count; ++i)
                result ^= i ^ seed; // 簡單位運算負載
            return result;
        }
    }
}

實測結果對比

未配置（結果不可靠）

Ticks: 1580367 mS: 572  <-- 最高
Ticks: 1577003 mS: 571
...
Ticks: 1112012 mS: 402  <-- 最低
...
Ticks: 1349507 mS: 488

執行時間分佈 **402ms ~ 572ms**，差距 **170ms (42%)**，無法用於比較。

正確配置後（高精度）

Ticks: 1110518 mS: 402
Ticks: 1110540 mS: 402
...
Ticks: 1110684 mS: 402  <-- 最高
...
Ticks: 1110433 mS: 402  <-- 最低

20 次測試皆為 **402ms**，僅 **Tick 差異 251 (0.02%)**，對應 **0.09ms** 差異，極適合演算法基準測試。

關鍵洞察

未配置的「最好成績」仍比配置後的「最差成績」慢。
CPU 上下文切換與核心遷移對效能影響極大，嚴格的測試環境控制是精準測量的前提。

參考英文原文：Stopwatch Measure Precise