如何正确比较多种排序算法的执行时间？附测试问题与需求

背景

问题源自Stack Overflow相关提问，我曾尝试对比多种排序算法的执行时间，但操作中出现了诸多问题 :)

任务目标

当前我的目标是对比多种排序算法的执行时间，并针对不同大小的数组收集统计数据。假设我有4种不同的算法，需要在3个不同大小的随机生成int数组上测试它们的执行时间。

此前问题中被指出的若干问题：

1. 分支预测失效（missed branch prediction）：分支预测对代码性能影响极大
2. 过多源码文件阻碍部分优化
3. 在禁用优化的情况下讨论性能毫无意义
4. 在同一进程中运行多个基准测试存疑
5. 冷/热缓存（cold/hot cache）问题
6. 操作系统实际执行动态内存分配的时机与方式

我查阅资料后针对这些问题整理了一些解决方案：

1. 分支预测由处理器控制，我无法直接干预（虽可将if/else转换为特殊写法避免，但我不会这么做）
2. 若确有必要，可将所有代码整合到main.c中，但我更倾向于拆分文件以便维护
3. 我使用CLion，已找到添加优化标志的方式：set(CMAKE_C_FLAGS ${CMAKE_C_FLAGS} -O3)（若有误请指正）
4. 若必须分开，可为每个算法编写独立*.c文件，但这样难以保证数组一致，或许可从文件读取数组以保证公平性
5. 针对缓存问题，我理解只需重复运行多次测试（若理解有误请指正）
6. 我不清楚如何处理动态内存分配问题，或许可在函数栈上定义数组以避免溢出？ :)

可能还存在其他未知问题，是否有能解决大部分问题的规范方法？
是否有现成的此类测试模板？
若能在假设所有算法已实现的前提下提供示例代码，我将十分感激

以下是相关环境信息：

• 操作系统：Windows 10
• 编辑器：CLion
• CMakeLists.txt配置：

  cmake_minimum_required(VERSION 3.29)
  project(Test C)
  
  set(CMAKE_C_STANDARD 23)
  set(CMAKE_C_FLAGS ${CMAKE_C_FLAGS} -O3)
  
  add_executable(Test main.c
          sorting-functions/bubble_sort/bubble_sort.c
          sorting-functions/bubble_sort/bubble_sort.h
          utils/swap/swap.c
          utils/swap/swap.h
          utils/print_arr/print_arr.c
          utils/print_arr/print_arr.h
          sorting-functions/bubble_sort_2/bubble_sort_2.c
          sorting-functions/bubble_sort_2/bubble_sort_2.h
          utils/copy_arr/copy_arr.c
          utils/copy_arr/copy_arr.h
  )
  

内容的提问来源于stack exchange，提问作者EzioMercer