#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 */
typedef int uint64_t;

/* Variables and functions */
uint64_t nibble_sort_word(uint64_t arg) {
  const uint64_t ones = 0x1111111111111111ULL;
  if (arg == (arg & 0xf) * ones) {
    return arg;
  }
  uint64_t count = 0;
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    count += 1ULL << (4 * (arg & 0xf));
    arg >>= 4;
  }
  uint64_t mask = ~0ULL;
  uint64_t result = 0;
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    int n = count & 0xf;
    count >>= 4;
    result = (result & ~mask) | ((ones & mask) * i);
    mask <<= 4 * n;
  }
  return result;
}


x86 assembly (clang, -O0):
<nibble_sort_word>:
push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
mov    %edi,-0x8(%rbp)
movl   $0x11111111,-0xc(%rbp)
mov    -0x8(%rbp),%eax
mov    -0x8(%rbp),%ecx
and    $0xf,%ecx
imul   $0x11111111,%ecx,%ecx
cmp    %ecx,%eax
jne    1130 <nibble_sort_word+0x30>
mov    -0x8(%rbp),%eax
mov    %eax,-0x4(%rbp)
jmp    11f1 <nibble_sort_word+0xf1>
movl   $0x0,-0x10(%rbp)
movl   $0x0,-0x14(%rbp)
cmpl   $0x10,-0x14(%rbp)
jge    1181 <nibble_sort_word+0x81>
mov    -0x8(%rbp),%eax
and    $0xf,%eax
shl    $0x2,%eax
mov    %eax,%eax
mov    %eax,%ecx
mov    $0x1,%eax
shl    %cl,%rax
mov    %rax,%rcx
movslq -0x10(%rbp),%rax
add    %rcx,%rax
mov    %eax,-0x10(%rbp)
mov    -0x8(%rbp),%eax
sar    $0x4,%eax
mov    %eax,-0x8(%rbp)
mov    -0x14(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x14(%rbp)
jmp    113e <nibble_sort_word+0x3e>
movl   $0xffffffff,-0x18(%rbp)
movl   $0x0,-0x1c(%rbp)
movl   $0x0,-0x20(%rbp)
cmpl   $0x10,-0x20(%rbp)
jge    11eb <nibble_sort_word+0xeb>
mov    -0x10(%rbp),%eax
and    $0xf,%eax
mov    %eax,-0x24(%rbp)
mov    -0x10(%rbp),%eax
sar    $0x4,%eax
mov    %eax,-0x10(%rbp)
mov    -0x1c(%rbp),%eax
mov    -0x18(%rbp),%ecx
xor    $0xffffffff,%ecx
and    %ecx,%eax
mov    -0x18(%rbp),%ecx
and    $0x11111111,%ecx
imul   -0x20(%rbp),%ecx
or     %ecx,%eax
mov    %eax,-0x1c(%rbp)
mov    -0x24(%rbp),%ecx
shl    $0x2,%ecx
mov    -0x18(%rbp),%eax
shl    %cl,%eax
mov    %eax,-0x18(%rbp)
mov    -0x20(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x20(%rbp)
jmp    1196 <nibble_sort_word+0x96>
mov    -0x1c(%rbp),%eax
mov    %eax,-0x4(%rbp)
mov    -0x4(%rbp),%eax
pop    %rbp
ret

x86 assembly (clang, -O2):
<nibble_sort_word>:
mov    %edi,%eax
mov    %edi,%ecx
and    $0xf,%ecx
imul   $0x11111111,%ecx,%ecx
cmp    %edi,%ecx
je     1231 <nibble_sort_word+0x131>
lea    0x0(,%rax,4),%ecx
mov    $0x1,%r8d
shl    %cl,%r8
mov    %eax,%ecx
shr    $0x2,%cl
and    $0x3c,%cl
mov    $0x1,%r9d
shl    %cl,%r9
mov    %eax,%ecx
shr    $0x6,%ecx
and    $0x3c,%cl
mov    $0x1,%edi
shl    %cl,%rdi
mov    %eax,%ecx
shr    $0xa,%ecx
and    $0x3c,%cl
mov    $0x1,%edx
shl    %cl,%rdx
mov    $0x1,%r10d
add    %r8d,%r9d
mov    %eax,%ecx
shr    $0xe,%ecx
and    $0x3c,%cl
mov    $0x1,%esi
shl    %cl,%rsi
add    %r9d,%edi
add    %edi,%edx
mov    %eax,%ecx
shr    $0x12,%ecx
and    $0x3c,%cl
mov    $0x1,%edi
shl    %cl,%rdi
add    %edx,%esi
add    %esi,%edi
mov    %eax,%ecx
shr    $0x16,%ecx
and    $0x3c,%cl
mov    $0x1,%esi
shl    %cl,%rsi
add    %edi,%esi
mov    %eax,%ecx
shr    $0x1a,%ecx
and    $0x3c,%cl
mov    $0x1,%edx
shl    %cl,%rdx
sar    $0x1f,%eax
and    $0x3c,%al
mov    %eax,%ecx
shl    %cl,%r10
add    %esi,%edx
add    %r10d,%edx
add    %r10d,%edx
add    %r10d,%edx
add    %r10d,%edx
add    %r10d,%edx
add    %r10d,%edx
add    %r10d,%edx
add    %r10d,%edx
mov    $0xffffffff,%esi
xor    %r8d,%r8d
xor    %eax,%eax
nopl   0x0(%rax,%rax,1)
mov    %esi,%edi
not    %edi
and    %eax,%edi
mov    %esi,%eax
and    $0x11111111,%eax
lea    0x0(,%rdx,4),%ecx
shl    %cl,%esi
imul   %r8d,%eax
or     %edi,%eax
lea    0x1(%r8),%r9d
mov    %edx,%r10d
sar    $0x8,%r10d
mov    %esi,%edi
not    %edi
and    %eax,%edi
mov    %esi,%eax
and    $0x11111111,%eax
shr    $0x2,%dl
and    $0x3c,%dl
mov    %edx,%ecx
shl    %cl,%esi
imul   %r9d,%eax
or     %edi,%eax
add    $0x2,%r8d
mov    %r10d,%edx
cmp    $0x10,%r8d
jne    11e0 <nibble_sort_word+0xe0>
ret

LLVM IR (-O0):
define i32 @nibble_sort_word(i32 %0) {
%2 = alloca i32
%3 = alloca i32
%4 = alloca i32
%5 = alloca i32
%6 = alloca i32
%7 = alloca i32
%8 = alloca i32
%9 = alloca i32
%10 = alloca i32
store i32 %0, i32* %3
store i32 286331153, i32* %4
%11 = load i32, i32* %3
%12 = load i32, i32* %3
%13 = and i32 %12, 15
%14 = mul nsw i32 %13, 286331153
%15 = icmp eq i32 %11, %14
br i1 %15, label %16, label %18
16: ; preds = %1
%17 = load i32, i32* %3
store i32 %17, i32* %2
br label %64
18: ; preds = %1
store i32 0, i32* %5
store i32 0, i32* %6
br label %19
19: ; preds = %34, %18
%20 = load i32, i32* %6
%21 = icmp slt i32 %20, 16
br i1 %21, label %22, label %37
22: ; preds = %19
%23 = load i32, i32* %3
%24 = and i32 %23, 15
%25 = mul nsw i32 4, %24
%26 = zext i32 %25 to i64
%27 = shl i64 1, %26
%28 = load i32, i32* %5
%29 = sext i32 %28 to i64
%30 = add i64 %29, %27
%31 = trunc i64 %30 to i32
store i32 %31, i32* %5
%32 = load i32, i32* %3
%33 = ashr i32 %32, 4
store i32 %33, i32* %3
br label %34
34: ; preds = %22
%35 = load i32, i32* %6
%36 = add nsw i32 %35, 1
store i32 %36, i32* %6
br label %19
37: ; preds = %19
store i32 -1, i32* %7
store i32 0, i32* %8
store i32 0, i32* %9
br label %38
38: ; preds = %59, %37
%39 = load i32, i32* %9
%40 = icmp slt i32 %39, 16
br i1 %40, label %41, label %62
41: ; preds = %38
%42 = load i32, i32* %5
%43 = and i32 %42, 15
store i32 %43, i32* %10
%44 = load i32, i32* %5
%45 = ashr i32 %44, 4
store i32 %45, i32* %5
%46 = load i32, i32* %8
%47 = load i32, i32* %7
%48 = xor i32 %47, -1
%49 = and i32 %46, %48
%50 = load i32, i32* %7
%51 = and i32 286331153, %50
%52 = load i32, i32* %9
%53 = mul nsw i32 %51, %52
%54 = or i32 %49, %53
store i32 %54, i32* %8
%55 = load i32, i32* %10
%56 = mul nsw i32 4, %55
%57 = load i32, i32* %7
%58 = shl i32 %57, %56
store i32 %58, i32* %7
br label %59
59: ; preds = %41
%60 = load i32, i32* %9
%61 = add nsw i32 %60, 1
store i32 %61, i32* %9
br label %38
62: ; preds = %38
%63 = load i32, i32* %8
store i32 %63, i32* %2
br label %64
64: ; preds = %62, %16
%65 = load i32, i32* %2
ret i32 %65
}

LLVM IR (-O2):
define i32 @nibble_sort_word(i32 %0) {
%2 = and i32 %0, 15
%3 = mul nuw nsw i32 %2, 286331153
%4 = icmp eq i32 %3, %0
br i1 %4, label %127, label %5
5: ; preds = %1
%6 = shl i32 %0, 2
%7 = and i32 %6, 60
%8 = zext i32 %7 to i64
%9 = shl nuw nsw i64 1, %8
%10 = trunc i64 %9 to i32
%11 = lshr i32 %0, 2
%12 = and i32 %11, 60
%13 = zext i32 %12 to i64
%14 = shl nuw nsw i64 1, %13
%15 = trunc i64 %14 to i32
%16 = add nuw nsw i32 %10, %15
%17 = lshr i32 %0, 6
%18 = and i32 %17, 60
%19 = zext i32 %18 to i64
%20 = shl nuw nsw i64 1, %19
%21 = trunc i64 %20 to i32
%22 = add nuw nsw i32 %16, %21
%23 = lshr i32 %0, 10
%24 = and i32 %23, 60
%25 = zext i32 %24 to i64
%26 = shl nuw nsw i64 1, %25
%27 = trunc i64 %26 to i32
%28 = add nuw i32 %22, %27
%29 = lshr i32 %0, 14
%30 = and i32 %29, 60
%31 = zext i32 %30 to i64
%32 = shl nuw nsw i64 1, %31
%33 = trunc i64 %32 to i32
%34 = add i32 %28, %33
%35 = lshr i32 %0, 18
%36 = and i32 %35, 60
%37 = zext i32 %36 to i64
%38 = shl nuw nsw i64 1, %37
%39 = trunc i64 %38 to i32
%40 = add i32 %34, %39
%41 = lshr i32 %0, 22
%42 = and i32 %41, 60
%43 = zext i32 %42 to i64
%44 = shl nuw nsw i64 1, %43
%45 = trunc i64 %44 to i32
%46 = add i32 %40, %45
%47 = lshr i32 %0, 26
%48 = and i32 %47, 60
%49 = zext i32 %48 to i64
%50 = shl nuw nsw i64 1, %49
%51 = trunc i64 %50 to i32
%52 = add i32 %46, %51
%53 = ashr i32 %0, 31
%54 = shl nsw i32 %53, 2
%55 = and i32 %54, 60
%56 = zext i32 %55 to i64
%57 = shl nuw nsw i64 1, %56
%58 = trunc i64 %57 to i32
%59 = add i32 %52, %58
%60 = shl nsw i32 %53, 2
%61 = and i32 %60, 60
%62 = zext i32 %61 to i64
%63 = shl nuw nsw i64 1, %62
%64 = trunc i64 %63 to i32
%65 = add i32 %59, %64
%66 = shl nsw i32 %53, 2
%67 = and i32 %66, 60
%68 = zext i32 %67 to i64
%69 = shl nuw nsw i64 1, %68
%70 = trunc i64 %69 to i32
%71 = add i32 %65, %70
%72 = shl nsw i32 %53, 2
%73 = and i32 %72, 60
%74 = zext i32 %73 to i64
%75 = shl nuw nsw i64 1, %74
%76 = trunc i64 %75 to i32
%77 = add i32 %71, %76
%78 = shl nsw i32 %53, 2
%79 = and i32 %78, 60
%80 = zext i32 %79 to i64
%81 = shl nuw nsw i64 1, %80
%82 = trunc i64 %81 to i32
%83 = add i32 %77, %82
%84 = shl nsw i32 %53, 2
%85 = and i32 %84, 60
%86 = zext i32 %85 to i64
%87 = shl nuw nsw i64 1, %86
%88 = trunc i64 %87 to i32
%89 = add i32 %83, %88
%90 = shl nsw i32 %53, 2
%91 = and i32 %90, 60
%92 = zext i32 %91 to i64
%93 = shl nuw nsw i64 1, %92
%94 = trunc i64 %93 to i32
%95 = add i32 %89, %94
%96 = shl nsw i32 %53, 2
%97 = and i32 %96, 60
%98 = zext i32 %97 to i64
%99 = shl nuw nsw i64 1, %98
%100 = trunc i64 %99 to i32
%101 = add i32 %95, %100
br label %102
102: ; preds = %102, %5
%103 = phi i32 [ 0, %5 ], [ %125, %102 ]
%104 = phi i32 [ 0, %5 ], [ %121, %102 ]
%105 = phi i32 [ -1, %5 ], [ %124, %102 ]
%106 = phi i32 [ %101, %5 ], [ %116, %102 ]
%107 = xor i32 %105, -1
%108 = and i32 %104, %107
%109 = and i32 %105, 286331153
%110 = mul nuw nsw i32 %103, %109
%111 = or i32 %110, %108
%112 = shl i32 %106, 2
%113 = and i32 %112, 60
%114 = shl i32 %105, %113
%115 = or i32 %103, 1
%116 = ashr i32 %106, 8
%117 = xor i32 %114, -1
%118 = and i32 %111, %117
%119 = and i32 %114, 286331153
%120 = mul nuw nsw i32 %115, %119
%121 = or i32 %120, %118
%122 = lshr i32 %106, 2
%123 = and i32 %122, 60
%124 = shl i32 %114, %123
%125 = add nuw nsw i32 %103, 2
%126 = icmp eq i32 %125, 16
br i1 %126, label %127, label %102
127: ; preds = %102, %1
%128 = phi i32 [ %0, %1 ], [ %121, %102 ]
ret i32 %128
}