为何Java Arrays.sort(int[])比C++ std::sort(vector<int>)快5倍？

我正在开展Java与C排序性能对比基准测试，意外发现即使C以-O3编译Release版本，Java的Arrays.sort(int[])仍比C++的std::sort(std::vector<int>)快5倍以上。此外，在同一JVM进程、相同数据（仅将int替换为Integer）、相同规模下，Java Arrays.sort(int[])比Collections.sort(List)快30倍以上，体现了原生数组排序与基于对象的集合排序之间的巨大性能差距。

测试设置 #

• Java使用Arrays.sort(int[])对新生成的int[]排序
• Java同时测试基于相同输入的Collections.sort(List)
• C++使用mt19937生成输入，调用std::sort(std::vector<int>)
• 所有测试重复执行至总测量时间超1秒

C++编译配置 #

set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)
target_compile_options(sort PRIVATE $<$<CONFIG:Release>:-O3>)

（CMake Release配置已默认启用-O3），GCC与Clang编译结果一致。

疑问 #

1. 对C++ std::sort或Java排序的调用、时间测量方式是否存在问题？
2. Java的Arrays.sort(int[])是否真的经过极致优化？
3. 为何Java原生数组排序比自身基于对象的Collections.sort()快30倍？

补充说明 #

• 为聚焦Java与C++对比，注释了Java装箱Integer的耗时测试
• 测试重复至少4次，取最短耗时避免异常值干扰
• 插桩显示C++比较次数比Java多约28%，但无法完全解释性能差距
• 当前使用Java 24.0.1、GCC/Clang Release版本

500万数据典型结果 #

Java #

size 5000000
nTrials=14 worst/best=1.293286 avg/best=1.072794
array sort time 70.512346 ms
array sort time/size/log2(size) 0.633719 ns

C++（GCC） #

size 5000000
nTrials = 4
worst/best = 1.02853
avg/best = 1.01016
vector sort time 393.92 ms
vector sort time/size/log2(size) = 3.54029 ns
cpp/java = 5.58654

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Saku