void merge_sort(int *a, int n) {
  if (n <= 1)
    return;
  int l = n / 2, r = n - l;
  merge_sort(a, l), merge_sort(a + l, r);
  int *sa = malloc(n * sizeof(int));
  for (int i = 0, j = 0, k = 0; k < n;)
    sa[k++] = (i < l && j < r && a[i] < a[l + j]) || (i < l && j >= r)
                  ? a[i++]
                  : a[l + j++];
  for (int i = 0; i < n; a[i] = sa[i], i++) {
  }
  free(sa);
}


x86 assembly (clang, -O0):
<merge_sort>:
push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
sub    $0x40,%rsp
mov    %rdi,-0x8(%rbp)
mov    %esi,-0xc(%rbp)
cmpl   $0x1,-0xc(%rbp)
jg     114e <merge_sort+0x1e>
jmp    12a7 <merge_sort+0x177>
mov    -0xc(%rbp),%eax
mov    $0x2,%ecx
cltd
idiv   %ecx
mov    %eax,-0x10(%rbp)
mov    -0xc(%rbp),%eax
sub    -0x10(%rbp),%eax
mov    %eax,-0x14(%rbp)
mov    -0x8(%rbp),%rdi
mov    -0x10(%rbp),%esi
call   1050 <merge_sort@plt>
mov    -0x8(%rbp),%rdi
movslq -0x10(%rbp),%rax
shl    $0x2,%rax
add    %rax,%rdi
mov    -0x14(%rbp),%esi
call   1050 <merge_sort@plt>
movslq -0xc(%rbp),%rdi
shl    $0x2,%rdi
call   1040 <malloc@plt>
mov    %rax,-0x20(%rbp)
movl   $0x0,-0x24(%rbp)
movl   $0x0,-0x28(%rbp)
movl   $0x0,-0x2c(%rbp)
mov    -0x2c(%rbp),%eax
cmp    -0xc(%rbp),%eax
jge    1262 <merge_sort+0x132>
mov    -0x24(%rbp),%eax
cmp    -0x10(%rbp),%eax
jge    11f3 <merge_sort+0xc3>
mov    -0x28(%rbp),%eax
cmp    -0x14(%rbp),%eax
jge    11f3 <merge_sort+0xc3>
mov    -0x8(%rbp),%rax
movslq -0x24(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%eax
mov    -0x8(%rbp),%rcx
mov    -0x10(%rbp),%edx
add    -0x28(%rbp),%edx
movslq %edx,%rdx
cmp    (%rcx,%rdx,4),%eax
jl     120b <merge_sort+0xdb>
mov    -0x24(%rbp),%eax
cmp    -0x10(%rbp),%eax
jge    1228 <merge_sort+0xf8>
mov    -0x28(%rbp),%eax
cmp    -0x14(%rbp),%eax
jl     1228 <merge_sort+0xf8>
mov    -0x8(%rbp),%rax
mov    -0x24(%rbp),%ecx
mov    %ecx,%edx
add    $0x1,%edx
mov    %edx,-0x24(%rbp)
movslq %ecx,%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%eax
mov    %eax,-0x34(%rbp)
jmp    1245 <merge_sort+0x115>
mov    -0x8(%rbp),%rax
mov    -0x10(%rbp),%ecx
mov    -0x28(%rbp),%edx
mov    %edx,%esi
add    $0x1,%esi
mov    %esi,-0x28(%rbp)
add    %edx,%ecx
movslq %ecx,%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%eax
mov    %eax,-0x34(%rbp)
mov    -0x34(%rbp),%edx
mov    -0x20(%rbp),%rax
mov    -0x2c(%rbp),%ecx
mov    %ecx,%esi
add    $0x1,%esi
mov    %esi,-0x2c(%rbp)
movslq %ecx,%rcx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
jmp    11ae <merge_sort+0x7e>
movl   $0x0,-0x30(%rbp)
mov    -0x30(%rbp),%eax
cmp    -0xc(%rbp),%eax
jge    129e <merge_sort+0x16e>
jmp    127a <merge_sort+0x14a>
mov    -0x20(%rbp),%rax
movslq -0x30(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%edx
mov    -0x8(%rbp),%rax
movslq -0x30(%rbp),%rcx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
mov    -0x30(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x30(%rbp)
jmp    1269 <merge_sort+0x139>
mov    -0x20(%rbp),%rdi
call   1030 <free@plt>
add    $0x40,%rsp
pop    %rbp
ret

x86 assembly (clang, -O2):
<merge_sort>:
cmp    $0x2,%esi
jge    1146 <merge_sort+0x6>
ret
push   %rbp
push   %r15
push   %r14
push   %r13
push   %r12
push   %rbx
push   %rax
mov    %esi,%r14d
mov    %rdi,%rbx
mov    %esi,%ebp
shr    %ebp
mov    %esi,%r15d
sub    %ebp,%r15d
mov    %ebp,%esi
call   1060 <merge_sort@plt>
lea    (%rbx,%rbp,4),%rdi
mov    %r15d,%esi
call   1060 <merge_sort@plt>
mov    %r14d,%r12d
lea    0x0(,%r12,4),%rdi
mov    %rdi,(%rsp)
call   1050 <malloc@plt>
mov    %rax,%r13
xor    %eax,%eax
xor    %ecx,%ecx
xor    %edx,%edx
jmp    11b9 <merge_sort+0x79>
cs nopw 0x0(%rax,%rax,1)
nopl   (%rax)
lea    0x1(%rdx),%esi
movslq %edx,%rdx
mov    (%rbx,%rdx,4),%edx
mov    %edx,0x0(%r13,%rax,4)
add    $0x1,%rax
mov    %esi,%edx
cmp    %rax,%r12
je     11e9 <merge_sort+0xa9>
cmp    %ebp,%edx
jge    11d3 <merge_sort+0x93>
cmp    %r15d,%ecx
jge    11d3 <merge_sort+0x93>
movslq %edx,%rsi
mov    (%rbx,%rsi,4),%esi
lea    (%rcx,%rbp,1),%edi
movslq %edi,%rdi
cmp    (%rbx,%rdi,4),%esi
jl     11a0 <merge_sort+0x60>
cmp    %ebp,%edx
jge    11dc <merge_sort+0x9c>
cmp    %r15d,%ecx
jge    11a0 <merge_sort+0x60>
lea    0x1(%rcx),%edi
mov    %edx,%esi
add    %ebp,%ecx
mov    %ecx,%edx
mov    %edi,%ecx
jmp    11a3 <merge_sort+0x63>
test   %r14d,%r14d
jle    11fd <merge_sort+0xbd>
mov    %rbx,%rdi
mov    %r13,%rsi
mov    (%rsp),%rdx
call   1040 <memcpy@plt>
mov    %r13,%rdi
add    $0x8,%rsp
pop    %rbx
pop    %r12
pop    %r13
pop    %r14
pop    %r15
pop    %rbp
jmp    1030 <free@plt>

LLVM IR (-O0):
define void @merge_sort(i32* %0, i32 %1) {
%3 = alloca i32*
%4 = alloca i32
%5 = alloca i32
%6 = alloca i32
%7 = alloca i32*
%8 = alloca i32
%9 = alloca i32
%10 = alloca i32
%11 = alloca i32
store i32* %0, i32** %3
store i32 %1, i32* %4
%12 = load i32, i32* %4
%13 = icmp sle i32 %12, 1
br i1 %13, label %14, label %15
14: ; preds = %2
br label %111
15: ; preds = %2
%16 = load i32, i32* %4
%17 = sdiv i32 %16, 2
store i32 %17, i32* %5
%18 = load i32, i32* %4
%19 = load i32, i32* %5
%20 = sub nsw i32 %18, %19
store i32 %20, i32* %6
%21 = load i32*, i32** %3
%22 = load i32, i32* %5
%23 = load i32*, i32** %3
%24 = load i32, i32* %5
%25 = sext i32 %24 to i64
%26 = getelementptr inbounds i32, i32* %23, i64 %25
%27 = load i32, i32* %6
%28 = load i32, i32* %4
%29 = sext i32 %28 to i64
%30 = mul i64 %29, 4
%31 = call i8* @malloc(i64 %30)
%32 = bitcast i8* %31 to i32*
store i32* %32, i32** %7
store i32 0, i32* %8
store i32 0, i32* %9
store i32 0, i32* %10
br label %33
33: ; preds = %83, %15
%34 = load i32, i32* %10
%35 = load i32, i32* %4
%36 = icmp slt i32 %34, %35
br i1 %36, label %37, label %90
37: ; preds = %33
%38 = load i32, i32* %8
%39 = load i32, i32* %5
%40 = icmp slt i32 %38, %39
br i1 %40, label %41, label %59
41: ; preds = %37
%42 = load i32, i32* %9
%43 = load i32, i32* %6
%44 = icmp slt i32 %42, %43
br i1 %44, label %45, label %59
45: ; preds = %41
%46 = load i32*, i32** %3
%47 = load i32, i32* %8
%48 = sext i32 %47 to i64
%49 = getelementptr inbounds i32, i32* %46, i64 %48
%50 = load i32, i32* %49
%51 = load i32*, i32** %3
%52 = load i32, i32* %5
%53 = load i32, i32* %9
%54 = add nsw i32 %52, %53
%55 = sext i32 %54 to i64
%56 = getelementptr inbounds i32, i32* %51, i64 %55
%57 = load i32, i32* %56
%58 = icmp slt i32 %50, %57
br i1 %58, label %67, label %59
59: ; preds = %45, %41, %37
%60 = load i32, i32* %8
%61 = load i32, i32* %5
%62 = icmp slt i32 %60, %61
br i1 %62, label %63, label %74
63: ; preds = %59
%64 = load i32, i32* %9
%65 = load i32, i32* %6
%66 = icmp sge i32 %64, %65
br i1 %66, label %67, label %74
67: ; preds = %63, %45
%68 = load i32*, i32** %3
%69 = load i32, i32* %8
%70 = add nsw i32 %69, 1
store i32 %70, i32* %8
%71 = sext i32 %69 to i64
%72 = getelementptr inbounds i32, i32* %68, i64 %71
%73 = load i32, i32* %72
br label %83
74: ; preds = %63, %59
%75 = load i32*, i32** %3
%76 = load i32, i32* %5
%77 = load i32, i32* %9
%78 = add nsw i32 %77, 1
store i32 %78, i32* %9
%79 = add nsw i32 %76, %77
%80 = sext i32 %79 to i64
%81 = getelementptr inbounds i32, i32* %75, i64 %80
%82 = load i32, i32* %81
br label %83
83: ; preds = %74, %67
%84 = phi i32 [ %73, %67 ], [ %82, %74 ]
%85 = load i32*, i32** %7
%86 = load i32, i32* %10
%87 = add nsw i32 %86, 1
store i32 %87, i32* %10
%88 = sext i32 %86 to i64
%89 = getelementptr inbounds i32, i32* %85, i64 %88
store i32 %84, i32* %89
br label %33
90: ; preds = %33
store i32 0, i32* %11
br label %91
91: ; preds = %96, %90
%92 = load i32, i32* %11
%93 = load i32, i32* %4
%94 = icmp slt i32 %92, %93
br i1 %94, label %95, label %108
95: ; preds = %91
br label %96
96: ; preds = %95
%97 = load i32*, i32** %7
%98 = load i32, i32* %11
%99 = sext i32 %98 to i64
%100 = getelementptr inbounds i32, i32* %97, i64 %99
%101 = load i32, i32* %100
%102 = load i32*, i32** %3
%103 = load i32, i32* %11
%104 = sext i32 %103 to i64
%105 = getelementptr inbounds i32, i32* %102, i64 %104
store i32 %101, i32* %105
%106 = load i32, i32* %11
%107 = add nsw i32 %106, 1
store i32 %107, i32* %11
br label %91
108: ; preds = %91
%109 = load i32*, i32** %7
%110 = bitcast i32* %109 to i8*
br label %111
111: ; preds = %108, %14
ret void
}

LLVM IR (-O2):
define void @merge_sort(i32* %0, i32 %1) {
%3 = bitcast i32* %0 to i8*
%4 = icmp slt i32 %1, 2
br i1 %4, label %52, label %5
5: ; preds = %2
%6 = lshr i32 %1, 1
%7 = sub nsw i32 %1, %6
tail call void @merge_sort(i32* %0, i32 %6)
%8 = zext i32 %6 to i64
%9 = getelementptr inbounds i32, i32* %0, i64 %8
tail call void @merge_sort(i32* %9, i32 %7)
%10 = zext i32 %1 to i64
%11 = shl nuw nsw i64 %10, 2
%12 = tail call i8* @malloc(i64 %11)
%13 = bitcast i8* %12 to i32*
br label %17
14: ; preds = %41
%15 = icmp sgt i32 %1, 0
br i1 %15, label %16, label %51
16: ; preds = %14
br label %51
17: ; preds = %5, %41
%18 = phi i64 [ 0, %5 ], [ %48, %41 ]
%19 = phi i32 [ 0, %5 ], [ %43, %41 ]
%20 = phi i32 [ 0, %5 ], [ %42, %41 ]
%21 = icmp slt i32 %20, %6
%22 = icmp slt i32 %19, %7
%23 = select i1 %21, i1 %22, i1 false
br i1 %23, label %24, label %33
24: ; preds = %17
%25 = sext i32 %20 to i64
%26 = getelementptr inbounds i32, i32* %0, i64 %25
%27 = load i32, i32* %26
%28 = add nsw i32 %19, %6
%29 = sext i32 %28 to i64
%30 = getelementptr inbounds i32, i32* %0, i64 %29
%31 = load i32, i32* %30
%32 = icmp slt i32 %27, %31
br i1 %32, label %36, label %33
33: ; preds = %24, %17
%34 = xor i1 %21, true
%35 = select i1 %34, i1 true, i1 %22
br i1 %35, label %38, label %36
36: ; preds = %33, %24
%37 = add nsw i32 %20, 1
br label %41
38: ; preds = %33
%39 = add nsw i32 %19, 1
%40 = add nsw i32 %19, %6
br label %41
41: ; preds = %38, %36
%42 = phi i32 [ %37, %36 ], [ %20, %38 ]
%43 = phi i32 [ %19, %36 ], [ %39, %38 ]
%44 = phi i32 [ %20, %36 ], [ %40, %38 ]
%45 = sext i32 %44 to i64
%46 = getelementptr inbounds i32, i32* %0, i64 %45
%47 = load i32, i32* %46
%48 = add nuw nsw i64 %18, 1
%49 = getelementptr inbounds i32, i32* %13, i64 %18
store i32 %47, i32* %49
%50 = icmp eq i64 %48, %10
br i1 %50, label %14, label %17
51: ; preds = %16, %14
tail call void @free(i8* %12)
br label %52
52: ; preds = %2, %51
ret void
}