int collatz_length(int orig_n, int *lengths) {
  int length = 0;
  long int n = orig_n;
  while (n > 0) {
    if (n < 1000000 && lengths[n] != 0) {
      length += lengths[n];
      lengths[orig_n] = length;
      return length;
    }
    if (n % 2 == 0) {
      n /= 2;
    } else {
      n = 3 * n + 1;
    }
    length++;
  }
  return -1;
}


x86 assembly (clang, -O0):
<collatz_length>:
push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
mov    %edi,-0x8(%rbp)
mov    %rsi,-0x10(%rbp)
movl   $0x0,-0x14(%rbp)
movslq -0x8(%rbp),%rax
mov    %rax,-0x20(%rbp)
cmpq   $0x0,-0x20(%rbp)
jle    11b9 <collatz_length+0xb9>
cmpq   $0xf4240,-0x20(%rbp)
jge    116f <collatz_length+0x6f>
mov    -0x10(%rbp),%rax
mov    -0x20(%rbp),%rcx
cmpl   $0x0,(%rax,%rcx,4)
je     116f <collatz_length+0x6f>
mov    -0x10(%rbp),%rax
mov    -0x20(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%eax
add    -0x14(%rbp),%eax
mov    %eax,-0x14(%rbp)
mov    -0x14(%rbp),%edx
mov    -0x10(%rbp),%rax
movslq -0x8(%rbp),%rcx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
mov    -0x14(%rbp),%eax
mov    %eax,-0x4(%rbp)
jmp    11c0 <collatz_length+0xc0>
mov    -0x20(%rbp),%rax
mov    $0x2,%ecx
cqto
idiv   %rcx
cmp    $0x0,%rdx
jne    119e <collatz_length+0x9e>
mov    -0x20(%rbp),%rax
mov    $0x2,%ecx
cqto
idiv   %rcx
mov    %rax,-0x20(%rbp)
jmp    11ab <collatz_length+0xab>
imul   $0x3,-0x20(%rbp),%rax
add    $0x1,%rax
mov    %rax,-0x20(%rbp)
mov    -0x14(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x14(%rbp)
jmp    111a <collatz_length+0x1a>
movl   $0xffffffff,-0x4(%rbp)
mov    -0x4(%rbp),%eax
pop    %rbp
ret

x86 assembly (clang, -O2):
<collatz_length>:
mov    $0xffffffff,%eax
test   %edi,%edi
jle    1153 <collatz_length+0x53>
movslq %edi,%r8
xor    %edx,%edx
mov    %r8,%rdi
jmp    113b <collatz_length+0x3b>
cs nopw 0x0(%rax,%rax,1)
nopl   (%rax)
mov    %rdi,%rcx
shr    %rcx
test   $0x1,%dil
lea    0x1(%rdi,%rdi,2),%rdi
cmove  %rcx,%rdi
add    $0x1,%edx
test   %rdi,%rdi
jle    1153 <collatz_length+0x53>
cmp    $0xf423f,%rdi
ja     1120 <collatz_length+0x20>
mov    (%rsi,%rdi,4),%ecx
test   %ecx,%ecx
je     1120 <collatz_length+0x20>
add    %ecx,%edx
mov    %edx,(%rsi,%r8,4)
mov    %edx,%eax
ret

LLVM IR (-O0):
define i32 @collatz_length(i32 %0, i32* %1) {
%3 = alloca i32
%4 = alloca i32
%5 = alloca i32*
%6 = alloca i32
%7 = alloca i64
store i32 %0, i32* %4
store i32* %1, i32** %5
store i32 0, i32* %6
%8 = load i32, i32* %4
%9 = sext i32 %8 to i64
store i64 %9, i64* %7
br label %10
10: ; preds = %46, %2
%11 = load i64, i64* %7
%12 = icmp sgt i64 %11, 0
br i1 %12, label %13, label %49
13: ; preds = %10
%14 = load i64, i64* %7
%15 = icmp slt i64 %14, 1000000
br i1 %15, label %16, label %35
16: ; preds = %13
%17 = load i32*, i32** %5
%18 = load i64, i64* %7
%19 = getelementptr inbounds i32, i32* %17, i64 %18
%20 = load i32, i32* %19
%21 = icmp ne i32 %20, 0
br i1 %21, label %22, label %35
22: ; preds = %16
%23 = load i32*, i32** %5
%24 = load i64, i64* %7
%25 = getelementptr inbounds i32, i32* %23, i64 %24
%26 = load i32, i32* %25
%27 = load i32, i32* %6
%28 = add nsw i32 %27, %26
store i32 %28, i32* %6
%29 = load i32, i32* %6
%30 = load i32*, i32** %5
%31 = load i32, i32* %4
%32 = sext i32 %31 to i64
%33 = getelementptr inbounds i32, i32* %30, i64 %32
store i32 %29, i32* %33
%34 = load i32, i32* %6
store i32 %34, i32* %3
br label %50
35: ; preds = %16, %13
%36 = load i64, i64* %7
%37 = srem i64 %36, 2
%38 = icmp eq i64 %37, 0
br i1 %38, label %39, label %42
39: ; preds = %35
%40 = load i64, i64* %7
%41 = sdiv i64 %40, 2
store i64 %41, i64* %7
br label %46
42: ; preds = %35
%43 = load i64, i64* %7
%44 = mul nsw i64 3, %43
%45 = add nsw i64 %44, 1
store i64 %45, i64* %7
br label %46
46: ; preds = %42, %39
%47 = load i32, i32* %6
%48 = add nsw i32 %47, 1
store i32 %48, i32* %6
br label %10
49: ; preds = %10
store i32 -1, i32* %3
br label %50
50: ; preds = %49, %22
%51 = load i32, i32* %3
ret i32 %51
}

LLVM IR (-O2):
define i32 @collatz_length(i32 %0, i32* nocapture %1) {
%3 = sext i32 %0 to i64
%4 = icmp sgt i32 %0, 0
br i1 %4, label %5, label %25
5: ; preds = %2, %16
%6 = phi i64 [ %22, %16 ], [ %3, %2 ]
%7 = phi i32 [ %23, %16 ], [ 0, %2 ]
%8 = icmp ult i64 %6, 1000000
br i1 %8, label %9, label %16
9: ; preds = %5
%10 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %6
%11 = load i32, i32* %10
%12 = icmp eq i32 %11, 0
br i1 %12, label %16, label %13
13: ; preds = %9
%14 = add nsw i32 %11, %7
%15 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %3
store i32 %14, i32* %15
br label %25
16: ; preds = %9, %5
%17 = and i64 %6, 1
%18 = icmp eq i64 %17, 0
%19 = lshr i64 %6, 1
%20 = mul nsw i64 %6, 3
%21 = add nsw i64 %20, 1
%22 = select i1 %18, i64 %19, i64 %21
%23 = add nuw nsw i32 %7, 1
%24 = icmp sgt i64 %22, 0
br i1 %24, label %5, label %25
25: ; preds = %16, %2, %13
%26 = phi i32 [ %14, %13 ], [ -1, %2 ], [ -1, %16 ]
ret i32 %26
}