#define NULL ((void *)0)
typedef unsigned long size_t; // Customize by platform.
typedef long intptr_t;
typedef unsigned long uintptr_t;
typedef long scalar_t__; // Either arithmetic or pointer type.
/* By default, we understand bool (as a convenience). */
typedef int bool;
#define false 0
#define true 1

/* Forward declarations */

/* Type definitions */

/* Variables and functions */
int /*<<< orphan*/ free(int *);
int *malloc(int);
int /*<<< orphan*/ printf(char *, int, ...);
void merge_sort(int *add, int n) {
  if (n < 2) {
    return;
  } else {
    int left_n = n / 2;
    int right_n = n - n / 2;
    int *left = add;
    int *right = add + left_n;
    merge_sort(left, left_n);
    merge_sort(right, right_n);
    int *tmp_array;
    tmp_array = malloc(n * sizeof(int));
    for (int j = 0, i = 0, l = 0; l < n; l++) {
      if (j < right_n && i < left_n) {
        if (right[j] < left[i]) {
          tmp_array[l] = right[j];
          j++;
        } else {
          tmp_array[l] = left[i];
          i++;
        }
      } else {
        if (j == right_n) {
          tmp_array[l] = left[i];
          i++;
        } else {
          tmp_array[l] = right[j];
          j++;
        }
      }
    }
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      add[i] = tmp_array[i];
    }
    free(tmp_array);
    tmp_array = NULL;
    printf("merge %d elements!\n", n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      printf("add[%3d]= %d\n", i, add[i]);
    }
  }
}


x86 assembly (clang, -O0):
<merge_sort>:
push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
sub    $0x50,%rsp
mov    %rdi,-0x8(%rbp)
mov    %esi,-0xc(%rbp)
cmpl   $0x2,-0xc(%rbp)
jge    115e <merge_sort+0x1e>
jmp    136c <merge_sort+0x22c>
mov    -0xc(%rbp),%eax
mov    $0x2,%ecx
cltd
idiv   %ecx
mov    %eax,-0x10(%rbp)
mov    -0xc(%rbp),%eax
mov    %eax,-0x48(%rbp)
mov    -0xc(%rbp),%eax
mov    $0x2,%ecx
cltd
idiv   %ecx
mov    %eax,%ecx
mov    -0x48(%rbp),%eax
sub    %ecx,%eax
mov    %eax,-0x14(%rbp)
mov    -0x8(%rbp),%rax
mov    %rax,-0x20(%rbp)
mov    -0x8(%rbp),%rax
movslq -0x10(%rbp),%rcx
shl    $0x2,%rcx
add    %rcx,%rax
mov    %rax,-0x28(%rbp)
mov    -0x20(%rbp),%rdi
mov    -0x10(%rbp),%esi
call   1060 <merge_sort@plt>
mov    -0x28(%rbp),%rdi
mov    -0x14(%rbp),%esi
call   1060 <merge_sort@plt>
movslq -0xc(%rbp),%rax
shl    $0x2,%rax
mov    %eax,%edi
call   1050 <malloc@plt>
mov    %rax,-0x30(%rbp)
movl   $0x0,-0x34(%rbp)
movl   $0x0,-0x38(%rbp)
movl   $0x0,-0x3c(%rbp)
mov    -0x3c(%rbp),%eax
cmp    -0xc(%rbp),%eax
jge    12d1 <merge_sort+0x191>
mov    -0x34(%rbp),%eax
cmp    -0x14(%rbp),%eax
jge    126a <merge_sort+0x12a>
mov    -0x38(%rbp),%eax
cmp    -0x10(%rbp),%eax
jge    126a <merge_sort+0x12a>
mov    -0x28(%rbp),%rax
movslq -0x34(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%eax
mov    -0x20(%rbp),%rcx
movslq -0x38(%rbp),%rdx
cmp    (%rcx,%rdx,4),%eax
jge    1246 <merge_sort+0x106>
mov    -0x28(%rbp),%rax
movslq -0x34(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%edx
mov    -0x30(%rbp),%rax
movslq -0x3c(%rbp),%rcx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
mov    -0x34(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x34(%rbp)
jmp    1265 <merge_sort+0x125>
mov    -0x20(%rbp),%rax
movslq -0x38(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%edx
mov    -0x30(%rbp),%rax
movslq -0x3c(%rbp),%rcx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
mov    -0x38(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x38(%rbp)
jmp    12be <merge_sort+0x17e>
mov    -0x34(%rbp),%eax
cmp    -0x14(%rbp),%eax
jne    129a <merge_sort+0x15a>
mov    -0x20(%rbp),%rax
movslq -0x38(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%edx
mov    -0x30(%rbp),%rax
movslq -0x3c(%rbp),%rcx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
mov    -0x38(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x38(%rbp)
jmp    12b9 <merge_sort+0x179>
mov    -0x28(%rbp),%rax
movslq -0x34(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%edx
mov    -0x30(%rbp),%rax
movslq -0x3c(%rbp),%rcx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
mov    -0x34(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x34(%rbp)
jmp    12be <merge_sort+0x17e>
jmp    12c3 <merge_sort+0x183>
mov    -0x3c(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x3c(%rbp)
jmp    11e2 <merge_sort+0xa2>
movl   $0x0,-0x40(%rbp)
mov    -0x40(%rbp),%eax
cmp    -0xc(%rbp),%eax
jge    1308 <merge_sort+0x1c8>
mov    -0x30(%rbp),%rax
movslq -0x40(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%edx
mov    -0x8(%rbp),%rax
movslq -0x40(%rbp),%rcx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
mov    -0x40(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x40(%rbp)
jmp    12d8 <merge_sort+0x198>
mov    -0x30(%rbp),%rdi
call   1030 <free@plt>
movq   $0x0,-0x30(%rbp)
mov    -0xc(%rbp),%esi
lea    0xcdd(%rip),%rdi
mov    $0x0,%al
call   1040 <printf@plt>
movl   $0x0,-0x44(%rbp)
mov    -0x44(%rbp),%eax
cmp    -0xc(%rbp),%eax
jge    1367 <merge_sort+0x227>
mov    -0x44(%rbp),%esi
mov    -0x8(%rbp),%rax
movslq -0x44(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%edx
lea    0xcc2(%rip),%rdi
mov    $0x0,%al
call   1040 <printf@plt>
mov    -0x44(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x44(%rbp)
jmp    1331 <merge_sort+0x1f1>
jmp    136c <merge_sort+0x22c>
add    $0x50,%rsp
pop    %rbp
ret

x86 assembly (clang, -O2):
<merge_sort>:
push   %rbp
push   %r15
push   %r14
push   %r13
push   %r12
push   %rbx
push   %rax
cmp    $0x2,%esi
jl     126a <merge_sort+0x11a>
mov    %rdi,%r13
mov    %rsi,%r14
mov    %r14d,%r15d
shr    %r15d
mov    %r14d,%ebp
sub    %r15d,%ebp
lea    (%rdi,%r15,4),%r12
mov    %r15d,%esi
call   1070 <merge_sort@plt>
mov    %r12,%rdi
mov    %ebp,%esi
call   1070 <merge_sort@plt>
lea    0x0(,%r14,4),%edi
call   1060 <malloc@plt>
mov    %rax,%rbx
mov    %r14,%r8
mov    %r14d,%r14d
xor    %eax,%eax
xor    %ecx,%ecx
xor    %edx,%edx
jmp    11c6 <merge_sort+0x76>
nopw   0x0(%rax,%rax,1)
movslq %edx,%rsi
mov    (%r12,%rsi,4),%esi
mov    %esi,(%rbx,%rax,4)
add    $0x1,%edx
add    $0x1,%rax
cmp    %rax,%r14
je     1206 <merge_sort+0xb6>
cmp    %ebp,%edx
jge    11f0 <merge_sort+0xa0>
cmp    %r15d,%ecx
jge    11f0 <merge_sort+0xa0>
movslq %edx,%rsi
mov    (%r12,%rsi,4),%esi
movslq %ecx,%rdi
mov    0x0(%r13,%rdi,4),%edi
cmp    %edi,%esi
jl     11b7 <merge_sort+0x67>
mov    %edi,(%rbx,%rax,4)
add    $0x1,%ecx
jmp    11bd <merge_sort+0x6d>
nopw   0x0(%rax,%rax,1)
cmp    %ebp,%edx
jne    11b0 <merge_sort+0x60>
movslq %ecx,%rdx
mov    0x0(%r13,%rdx,4),%edx
mov    %edx,(%rbx,%rax,4)
add    $0x1,%ecx
mov    %ebp,%edx
jmp    11bd <merge_sort+0x6d>
mov    %r8,%rbp
test   %ebp,%ebp
jle    1279 <merge_sort+0x129>
lea    0x0(,%r14,4),%rdx
mov    %r13,%rdi
mov    %rbx,%rsi
call   1050 <memcpy@plt>
mov    %rbx,%rdi
call   1030 <free@plt>
lea    0xdd1(%rip),%rdi
mov    %ebp,%esi
xor    %eax,%eax
call   1040 <printf@plt>
lea    0xdd5(%rip),%rbx
xor    %ebp,%ebp
cs nopw 0x0(%rax,%rax,1)
nopl   0x0(%rax,%rax,1)
mov    0x0(%r13,%rbp,4),%edx
mov    %rbx,%rdi
mov    %ebp,%esi
xor    %eax,%eax
call   1040 <printf@plt>
add    $0x1,%rbp
cmp    %rbp,%r14
jne    1250 <merge_sort+0x100>
add    $0x8,%rsp
pop    %rbx
pop    %r12
pop    %r13
pop    %r14
pop    %r15
pop    %rbp
ret
mov    %rbx,%rdi
call   1030 <free@plt>
lea    0xd78(%rip),%rdi
mov    %ebp,%esi
xor    %eax,%eax
add    $0x8,%rsp
pop    %rbx
pop    %r12
pop    %r13
pop    %r14
pop    %r15
pop    %rbp
jmp    1040 <printf@plt>

LLVM IR (-O0):
@.str = [20 x i8] c"merge %d elements!\0A\00"
@.str.1 = [14 x i8] c"add[%3d]= %d\0A\00"
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
%12 = alloca i32
%13 = alloca i32
%14 = alloca i32
store i32* %0, i32** %3
store i32 %1, i32* %4
%15 = load i32, i32* %4
%16 = icmp slt i32 %15, 2
br i1 %16, label %17, label %18
17: ; preds = %2
br label %160
18: ; preds = %2
%19 = load i32, i32* %4
%20 = sdiv i32 %19, 2
store i32 %20, i32* %5
%21 = load i32, i32* %4
%22 = load i32, i32* %4
%23 = sdiv i32 %22, 2
%24 = sub nsw i32 %21, %23
store i32 %24, i32* %6
%25 = load i32*, i32** %3
store i32* %25, i32** %7
%26 = load i32*, i32** %3
%27 = load i32, i32* %5
%28 = sext i32 %27 to i64
%29 = getelementptr inbounds i32, i32* %26, i64 %28
store i32* %29, i32** %8
%30 = load i32*, i32** %7
%31 = load i32, i32* %5
%32 = load i32*, i32** %8
%33 = load i32, i32* %6
%34 = load i32, i32* %4
%35 = sext i32 %34 to i64
%36 = mul i64 %35, 4
%37 = trunc i64 %36 to i32
%38 = call i32* @malloc(i32 %37)
store i32* %38, i32** %9
store i32 0, i32* %10
store i32 0, i32* %11
store i32 0, i32* %12
br label %39
39: ; preds = %118, %18
%40 = load i32, i32* %12
%41 = load i32, i32* %4
%42 = icmp slt i32 %40, %41
br i1 %42, label %43, label %121
43: ; preds = %39
%44 = load i32, i32* %10
%45 = load i32, i32* %6
%46 = icmp slt i32 %44, %45
br i1 %46, label %47, label %88
47: ; preds = %43
%48 = load i32, i32* %11
%49 = load i32, i32* %5
%50 = icmp slt i32 %48, %49
br i1 %50, label %51, label %88
51: ; preds = %47
%52 = load i32*, i32** %8
%53 = load i32, i32* %10
%54 = sext i32 %53 to i64
%55 = getelementptr inbounds i32, i32* %52, i64 %54
%56 = load i32, i32* %55
%57 = load i32*, i32** %7
%58 = load i32, i32* %11
%59 = sext i32 %58 to i64
%60 = getelementptr inbounds i32, i32* %57, i64 %59
%61 = load i32, i32* %60
%62 = icmp slt i32 %56, %61
br i1 %62, label %63, label %75
63: ; preds = %51
%64 = load i32*, i32** %8
%65 = load i32, i32* %10
%66 = sext i32 %65 to i64
%67 = getelementptr inbounds i32, i32* %64, i64 %66
%68 = load i32, i32* %67
%69 = load i32*, i32** %9
%70 = load i32, i32* %12
%71 = sext i32 %70 to i64
%72 = getelementptr inbounds i32, i32* %69, i64 %71
store i32 %68, i32* %72
%73 = load i32, i32* %10
%74 = add nsw i32 %73, 1
store i32 %74, i32* %10
br label %87
75: ; preds = %51
%76 = load i32*, i32** %7
%77 = load i32, i32* %11
%78 = sext i32 %77 to i64
%79 = getelementptr inbounds i32, i32* %76, i64 %78
%80 = load i32, i32* %79
%81 = load i32*, i32** %9
%82 = load i32, i32* %12
%83 = sext i32 %82 to i64
%84 = getelementptr inbounds i32, i32* %81, i64 %83
store i32 %80, i32* %84
%85 = load i32, i32* %11
%86 = add nsw i32 %85, 1
store i32 %86, i32* %11
br label %87
87: ; preds = %75, %63
br label %117
88: ; preds = %47, %43
%89 = load i32, i32* %10
%90 = load i32, i32* %6
%91 = icmp eq i32 %89, %90
br i1 %91, label %92, label %104
92: ; preds = %88
%93 = load i32*, i32** %7
%94 = load i32, i32* %11
%95 = sext i32 %94 to i64
%96 = getelementptr inbounds i32, i32* %93, i64 %95
%97 = load i32, i32* %96
%98 = load i32*, i32** %9
%99 = load i32, i32* %12
%100 = sext i32 %99 to i64
%101 = getelementptr inbounds i32, i32* %98, i64 %100
store i32 %97, i32* %101
%102 = load i32, i32* %11
%103 = add nsw i32 %102, 1
store i32 %103, i32* %11
br label %116
104: ; preds = %88
%105 = load i32*, i32** %8
%106 = load i32, i32* %10
%107 = sext i32 %106 to i64
%108 = getelementptr inbounds i32, i32* %105, i64 %107
%109 = load i32, i32* %108
%110 = load i32*, i32** %9
%111 = load i32, i32* %12
%112 = sext i32 %111 to i64
%113 = getelementptr inbounds i32, i32* %110, i64 %112
store i32 %109, i32* %113
%114 = load i32, i32* %10
%115 = add nsw i32 %114, 1
store i32 %115, i32* %10
br label %116
116: ; preds = %104, %92
br label %117
117: ; preds = %116, %87
br label %118
118: ; preds = %117
%119 = load i32, i32* %12
%120 = add nsw i32 %119, 1
store i32 %120, i32* %12
br label %39
121: ; preds = %39
store i32 0, i32* %13
br label %122
122: ; preds = %136, %121
%123 = load i32, i32* %13
%124 = load i32, i32* %4
%125 = icmp slt i32 %123, %124
br i1 %125, label %126, label %139
126: ; preds = %122
%127 = load i32*, i32** %9
%128 = load i32, i32* %13
%129 = sext i32 %128 to i64
%130 = getelementptr inbounds i32, i32* %127, i64 %129
%131 = load i32, i32* %130
%132 = load i32*, i32** %3
%133 = load i32, i32* %13
%134 = sext i32 %133 to i64
%135 = getelementptr inbounds i32, i32* %132, i64 %134
store i32 %131, i32* %135
br label %136
136: ; preds = %126
%137 = load i32, i32* %13
%138 = add nsw i32 %137, 1
store i32 %138, i32* %13
br label %122
139: ; preds = %122
%140 = load i32*, i32** %9
%141 = call i32 @free(i32* %140)
store i32* null, i32** %9
%142 = load i32, i32* %4
%143 = call i32 (i8*, i32, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([20 x i8], [20 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), i32 %142)
store i32 0, i32* %14
br label %144
144: ; preds = %156, %139
%145 = load i32, i32* %14
%146 = load i32, i32* %4
%147 = icmp slt i32 %145, %146
br i1 %147, label %148, label %159
148: ; preds = %144
%149 = load i32, i32* %14
%150 = load i32*, i32** %3
%151 = load i32, i32* %14
%152 = sext i32 %151 to i64
%153 = getelementptr inbounds i32, i32* %150, i64 %152
%154 = load i32, i32* %153
%155 = call i32 (i8*, i32, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([14 x i8], [14 x i8]* @.str.1, i64 0, i64 0), i32 %149, i32 %154)
br label %156
156: ; preds = %148
%157 = load i32, i32* %14
%158 = add nsw i32 %157, 1
store i32 %158, i32* %14
br label %144
159: ; preds = %144
br label %160
160: ; preds = %17, %159
ret void
}

LLVM IR (-O2):
@.str = [20 x i8] c"merge %d elements!\0A\00"
@.str.1 = [14 x i8] c"add[%3d]= %d\0A\00"
define void @merge_sort(i32* %0, i32 %1) {
%3 = bitcast i32* %0 to i8*
%4 = icmp slt i32 %1, 2
br i1 %4, label %72, label %5
5: ; preds = %2
%6 = lshr i32 %1, 1
%7 = sub nsw i32 %1, %6
%8 = zext i32 %6 to i64
%9 = getelementptr inbounds i32, i32* %0, i64 %8
tail call void @merge_sort(i32* %0, i32 %6)
tail call void @merge_sort(i32* %9, i32 %7)
%10 = shl i32 %1, 2
%11 = tail call i32* @malloc(i32 %10)
%12 = bitcast i32* %11 to i8*
%13 = zext i32 %1 to i64
br label %22
14: ; preds = %56
%15 = icmp sgt i32 %1, 0
br i1 %15, label %16, label %69
16: ; preds = %14
%17 = zext i32 %1 to i64
%18 = shl nuw nsw i64 %17, 2
%19 = tail call i32 @free(i32* %11)
%20 = tail call i32 (i8*, i32, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([20 x i8], [20 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), i32 %1)
%21 = zext i32 %1 to i64
br label %61
22: ; preds = %5, %56
%23 = phi i64 [ 0, %5 ], [ %59, %56 ]
%24 = phi i32 [ 0, %5 ], [ %58, %56 ]
%25 = phi i32 [ 0, %5 ], [ %57, %56 ]
%26 = icmp slt i32 %25, %7
%27 = icmp slt i32 %24, %6
%28 = select i1 %26, i1 %27, i1 false
br i1 %28, label %29, label %42
29: ; preds = %22
%30 = sext i32 %25 to i64
%31 = getelementptr inbounds i32, i32* %9, i64 %30
%32 = load i32, i32* %31
%33 = sext i32 %24 to i64
%34 = getelementptr inbounds i32, i32* %0, i64 %33
%35 = load i32, i32* %34
%36 = icmp slt i32 %32, %35
%37 = getelementptr inbounds i32, i32* %11, i64 %23
br i1 %36, label %38, label %40
38: ; preds = %29
store i32 %32, i32* %37
%39 = add nsw i32 %25, 1
br label %56
40: ; preds = %29
store i32 %35, i32* %37
%41 = add nsw i32 %24, 1
br label %56
42: ; preds = %22
%43 = icmp eq i32 %25, %7
br i1 %43, label %44, label %50
44: ; preds = %42
%45 = sext i32 %24 to i64
%46 = getelementptr inbounds i32, i32* %0, i64 %45
%47 = load i32, i32* %46
%48 = getelementptr inbounds i32, i32* %11, i64 %23
store i32 %47, i32* %48
%49 = add nsw i32 %24, 1
br label %56
50: ; preds = %42
%51 = sext i32 %25 to i64
%52 = getelementptr inbounds i32, i32* %9, i64 %51
%53 = load i32, i32* %52
%54 = getelementptr inbounds i32, i32* %11, i64 %23
store i32 %53, i32* %54
%55 = add nsw i32 %25, 1
br label %56
56: ; preds = %40, %38, %50, %44
%57 = phi i32 [ %39, %38 ], [ %25, %40 ], [ %7, %44 ], [ %55, %50 ]
%58 = phi i32 [ %24, %38 ], [ %41, %40 ], [ %49, %44 ], [ %24, %50 ]
%59 = add nuw nsw i64 %23, 1
%60 = icmp eq i64 %59, %13
br i1 %60, label %14, label %22
61: ; preds = %16, %61
%62 = phi i64 [ 0, %16 ], [ %67, %61 ]
%63 = getelementptr inbounds i32, i32* %0, i64 %62
%64 = load i32, i32* %63
%65 = trunc i64 %62 to i32
%66 = tail call i32 (i8*, i32, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([14 x i8], [14 x i8]* @.str.1, i64 0, i64 0), i32 %65, i32 %64)
%67 = add nuw nsw i64 %62, 1
%68 = icmp eq i64 %67, %21
br i1 %68, label %72, label %61
69: ; preds = %14
%70 = tail call i32 @free(i32* %11)
%71 = tail call i32 (i8*, i32, ...) @printf(i8* getelementptr inbounds ([20 x i8], [20 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), i32 %1)
br label %72
72: ; preds = %61, %69, %2
ret void
}