unsigned long nibble_sort_word(unsigned long arg, int counts[16]) {
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    counts[arg & 0xf]++;
    arg >>= 4;
  }
  for (int i = 15; i >= 0; i--) {
    while (counts[i] != 0) {
      arg <<= 4;
      arg |= i;
      counts[i]--;
    }
  }
  return arg;
}


x86 assembly (clang, -O0):
<nibble_sort_word>:
push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
mov    %rdi,-0x8(%rbp)
mov    %rsi,-0x10(%rbp)
movl   $0x0,-0x14(%rbp)
cmpl   $0x10,-0x14(%rbp)
jge    114c <nibble_sort_word+0x4c>
mov    -0x10(%rbp),%rax
mov    -0x8(%rbp),%rcx
and    $0xf,%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%edx
add    $0x1,%edx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
mov    -0x8(%rbp),%rax
shr    $0x4,%rax
mov    %rax,-0x8(%rbp)
mov    -0x14(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x14(%rbp)
jmp    1113 <nibble_sort_word+0x13>
movl   $0xf,-0x18(%rbp)
cmpl   $0x0,-0x18(%rbp)
jl     11b5 <nibble_sort_word+0xb5>
jmp    1162 <nibble_sort_word+0x62>
mov    -0x10(%rbp),%rax
movslq -0x18(%rbp),%rcx
cmpl   $0x0,(%rax,%rcx,4)
je     11a2 <nibble_sort_word+0xa2>
mov    -0x8(%rbp),%rax
shl    $0x4,%rax
mov    %rax,-0x8(%rbp)
movslq -0x18(%rbp),%rax
or     -0x8(%rbp),%rax
mov    %rax,-0x8(%rbp)
mov    -0x10(%rbp),%rax
movslq -0x18(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%edx
add    $0xffffffff,%edx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
jmp    1162 <nibble_sort_word+0x62>
jmp    11a7 <nibble_sort_word+0xa7>
mov    -0x18(%rbp),%eax
add    $0xffffffff,%eax
mov    %eax,-0x18(%rbp)
jmp    1153 <nibble_sort_word+0x53>
mov    -0x8(%rbp),%rax
pop    %rbp
ret

x86 assembly (clang, -O2):
<nibble_sort_word>:
mov    %edi,%eax
and    $0xf,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,4)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x2,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x6,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0xa,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0xe,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x12,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x16,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x1a,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x1e,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x22,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x26,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x2a,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x2e,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x32,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
mov    %rdi,%rax
shr    $0x36,%rax
and    $0x3c,%eax
addl   $0x1,(%rsi,%rax,1)
shr    $0x3c,%rdi
addl   $0x1,(%rsi,%rdi,4)
mov    $0xf,%ecx
xor    %eax,%eax
jmp    11ed <nibble_sort_word+0xed>
xchg   %ax,%ax
movl   $0x0,(%rsi,%rcx,4)
sub    $0x1,%rcx
jb     125f <nibble_sort_word+0x15f>
mov    (%rsi,%rcx,4),%edx
test   %edx,%edx
je     11e7 <nibble_sort_word+0xe7>
lea    -0x1(%rdx),%r8d
mov    %edx,%r9d
and    $0x7,%r9d
je     1221 <nibble_sort_word+0x121>
xor    %edi,%edi
cs nopw 0x0(%rax,%rax,1)
nopl   (%rax)
shl    $0x4,%rax
or     %rcx,%rax
add    $0x1,%edi
cmp    %edi,%r9d
jne    1210 <nibble_sort_word+0x110>
sub    %edi,%edx
cmp    $0x7,%r8d
jb     11e0 <nibble_sort_word+0xe0>
mov    %rcx,%rdi
shl    $0x4,%rdi
xchg   %ax,%ax
shl    $0x8,%rax
or     %rdi,%rax
or     %rcx,%rax
shl    $0x8,%rax
or     %rdi,%rax
or     %rcx,%rax
shl    $0x8,%rax
or     %rdi,%rax
or     %rcx,%rax
shl    $0x8,%rax
or     %rdi,%rax
or     %rcx,%rax
add    $0xfffffff8,%edx
jne    1230 <nibble_sort_word+0x130>
jmp    11e0 <nibble_sort_word+0xe0>
ret

LLVM IR (-O0):
define i64 @nibble_sort_word(i64 %0, i32* %1) {
%3 = alloca i64
%4 = alloca i32*
%5 = alloca i32
%6 = alloca i32
store i64 %0, i64* %3
store i32* %1, i32** %4
store i32 0, i32* %5
br label %7
7: ; preds = %19, %2
%8 = load i32, i32* %5
%9 = icmp slt i32 %8, 16
br i1 %9, label %10, label %22
10: ; preds = %7
%11 = load i32*, i32** %4
%12 = load i64, i64* %3
%13 = and i64 %12, 15
%14 = getelementptr inbounds i32, i32* %11, i64 %13
%15 = load i32, i32* %14
%16 = add nsw i32 %15, 1
store i32 %16, i32* %14
%17 = load i64, i64* %3
%18 = lshr i64 %17, 4
store i64 %18, i64* %3
br label %19
19: ; preds = %10
%20 = load i32, i32* %5
%21 = add nsw i32 %20, 1
store i32 %21, i32* %5
br label %7
22: ; preds = %7
store i32 15, i32* %6
br label %23
23: ; preds = %48, %22
%24 = load i32, i32* %6
%25 = icmp sge i32 %24, 0
br i1 %25, label %26, label %51
26: ; preds = %23
br label %27
27: ; preds = %34, %26
%28 = load i32*, i32** %4
%29 = load i32, i32* %6
%30 = sext i32 %29 to i64
%31 = getelementptr inbounds i32, i32* %28, i64 %30
%32 = load i32, i32* %31
%33 = icmp ne i32 %32, 0
br i1 %33, label %34, label %47
34: ; preds = %27
%35 = load i64, i64* %3
%36 = shl i64 %35, 4
store i64 %36, i64* %3
%37 = load i32, i32* %6
%38 = sext i32 %37 to i64
%39 = load i64, i64* %3
%40 = or i64 %39, %38
store i64 %40, i64* %3
%41 = load i32*, i32** %4
%42 = load i32, i32* %6
%43 = sext i32 %42 to i64
%44 = getelementptr inbounds i32, i32* %41, i64 %43
%45 = load i32, i32* %44
%46 = add nsw i32 %45, -1
store i32 %46, i32* %44
br label %27
47: ; preds = %27
br label %48
48: ; preds = %47
%49 = load i32, i32* %6
%50 = add nsw i32 %49, -1
store i32 %50, i32* %6
br label %23
51: ; preds = %23
%52 = load i64, i64* %3
ret i64 %52
}

LLVM IR (-O2):
define i64 @nibble_sort_word(i64 %0, i32* nocapture %1) {
%3 = and i64 %0, 15
%4 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %3
%5 = load i32, i32* %4
%6 = add nsw i32 %5, 1
store i32 %6, i32* %4
%7 = lshr i64 %0, 4
%8 = and i64 %7, 15
%9 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %8
%10 = load i32, i32* %9
%11 = add nsw i32 %10, 1
store i32 %11, i32* %9
%12 = lshr i64 %0, 8
%13 = and i64 %12, 15
%14 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %13
%15 = load i32, i32* %14
%16 = add nsw i32 %15, 1
store i32 %16, i32* %14
%17 = lshr i64 %0, 12
%18 = and i64 %17, 15
%19 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %18
%20 = load i32, i32* %19
%21 = add nsw i32 %20, 1
store i32 %21, i32* %19
%22 = lshr i64 %0, 16
%23 = and i64 %22, 15
%24 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %23
%25 = load i32, i32* %24
%26 = add nsw i32 %25, 1
store i32 %26, i32* %24
%27 = lshr i64 %0, 20
%28 = and i64 %27, 15
%29 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %28
%30 = load i32, i32* %29
%31 = add nsw i32 %30, 1
store i32 %31, i32* %29
%32 = lshr i64 %0, 24
%33 = and i64 %32, 15
%34 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %33
%35 = load i32, i32* %34
%36 = add nsw i32 %35, 1
store i32 %36, i32* %34
%37 = lshr i64 %0, 28
%38 = and i64 %37, 15
%39 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %38
%40 = load i32, i32* %39
%41 = add nsw i32 %40, 1
store i32 %41, i32* %39
%42 = lshr i64 %0, 32
%43 = and i64 %42, 15
%44 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %43
%45 = load i32, i32* %44
%46 = add nsw i32 %45, 1
store i32 %46, i32* %44
%47 = lshr i64 %0, 36
%48 = and i64 %47, 15
%49 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %48
%50 = load i32, i32* %49
%51 = add nsw i32 %50, 1
store i32 %51, i32* %49
%52 = lshr i64 %0, 40
%53 = and i64 %52, 15
%54 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %53
%55 = load i32, i32* %54
%56 = add nsw i32 %55, 1
store i32 %56, i32* %54
%57 = lshr i64 %0, 44
%58 = and i64 %57, 15
%59 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %58
%60 = load i32, i32* %59
%61 = add nsw i32 %60, 1
store i32 %61, i32* %59
%62 = lshr i64 %0, 48
%63 = and i64 %62, 15
%64 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %63
%65 = load i32, i32* %64
%66 = add nsw i32 %65, 1
store i32 %66, i32* %64
%67 = lshr i64 %0, 52
%68 = and i64 %67, 15
%69 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %68
%70 = load i32, i32* %69
%71 = add nsw i32 %70, 1
store i32 %71, i32* %69
%72 = lshr i64 %0, 56
%73 = and i64 %72, 15
%74 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %73
%75 = load i32, i32* %74
%76 = add nsw i32 %75, 1
store i32 %76, i32* %74
%77 = lshr i64 %0, 60
%78 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %77
%79 = load i32, i32* %78
%80 = add nsw i32 %79, 1
store i32 %80, i32* %78
br label %81
81: ; preds = %2, %130
%82 = phi i64 [ 15, %2 ], [ %132, %130 ]
%83 = phi i64 [ 0, %2 ], [ %131, %130 ]
%84 = getelementptr inbounds i32, i32* %1, i64 %82
%85 = load i32, i32* %84
%86 = icmp eq i32 %85, 0
br i1 %86, label %130, label %87
87: ; preds = %81
%88 = add i32 %85, -1
%89 = and i32 %85, 7
%90 = icmp eq i32 %89, 0
br i1 %90, label %100, label %91
91: ; preds = %87, %91
%92 = phi i64 [ %96, %91 ], [ %83, %87 ]
%93 = phi i32 [ %97, %91 ], [ %85, %87 ]
%94 = phi i32 [ %98, %91 ], [ 0, %87 ]
%95 = shl i64 %92, 4
%96 = or i64 %95, %82
%97 = add nsw i32 %93, -1
%98 = add i32 %94, 1
%99 = icmp eq i32 %98, %89
br i1 %99, label %100, label %91
100: ; preds = %91, %87
%101 = phi i64 [ undef, %87 ], [ %96, %91 ]
%102 = phi i64 [ %83, %87 ], [ %96, %91 ]
%103 = phi i32 [ %85, %87 ], [ %97, %91 ]
%104 = icmp ult i32 %88, 7
br i1 %104, label %128, label %105
105: ; preds = %100
%106 = shl i64 %82, 4
%107 = shl i64 %82, 4
%108 = shl i64 %82, 4
%109 = shl i64 %82, 4
br label %111
110: ; preds = %130
ret i64 %131
111: ; preds = %111, %105
%112 = phi i64 [ %102, %105 ], [ %125, %111 ]
%113 = phi i32 [ %103, %105 ], [ %126, %111 ]
%114 = shl i64 %112, 8
%115 = or i64 %114, %106
%116 = or i64 %115, %82
%117 = shl i64 %116, 8
%118 = or i64 %117, %107
%119 = or i64 %118, %82
%120 = shl i64 %119, 8
%121 = or i64 %120, %108
%122 = or i64 %121, %82
%123 = shl i64 %122, 8
%124 = or i64 %123, %109
%125 = or i64 %124, %82
%126 = add nsw i32 %113, -8
%127 = icmp eq i32 %126, 0
br i1 %127, label %128, label %111
128: ; preds = %111, %100
%129 = phi i64 [ %101, %100 ], [ %125, %111 ]
store i32 0, i32* %84
br label %130
130: ; preds = %128, %81
%131 = phi i64 [ %129, %128 ], [ %83, %81 ]
%132 = add nsw i64 %82, -1
%133 = icmp eq i64 %82, 0
br i1 %133, label %110, label %81
}