C++ 当我更改编译优化时，相同的C代码以不同的方式运行

作为练习，我try 实现合并排序算法.这是我的代码:

#include <stdio.h>

void printArray(int *array) {
    int i;
    for (i=0; i<20; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");
}

void merge(int *array, int *temp, int left, int mid, int right) {
  int i=left, j=mid, k=left;
  while (i<mid && j<right) {
    if (array[i] > array[j]) {
      temp[k++]=array[j++];
    } else {
      temp[k++]=array[i++];
    }
  }
  while (i<mid) {
    temp[k++]=array[i++];
  }
  while (j<right) {
    temp[k++]=array[j++];
  }
  for (i=left; i<right; i++) {
    array[i]=temp[i];
  }
}

void mergeSort(int *array, int size) {
  int temp[size];
  int i,j;
  for (j=1; j<=size; j*=2) {
    printf("\n%d\n",j);
    for (i=0; i<size; i+=2*j) {
      if (i+2*j<size) {
        merge(array,temp, i, i+j, i+2*j);
      } else {
        merge(array,temp, i, i+j, size);
      }
    }
  }
}

int main() {
    int array[] = {83,86,77,15,93,35,86,92,49,21,62,27,90,59,63,26,40,26,72,36};
    printArray(array);
    mergeSort(array, 20);
    printArray(array);
}

在mergeSort内，我预计f的迭代会在f等于16时停止，因为size等于20，但实际上它上升到8；事实上，列表并不是完全有序的.以下是输出:

83 86 77 15 93 35 86 92 49 21 62 27 90 59 63 26 40 26 72 36 

1

2

4

8
15 21 26 27 35 49 59 62 63 77 83 86 86 90 92 93 26 36 40 72

然后，我try 编译相同的代码，将GCC的优化选项设置为O1、O2或O3，得到了我预期的结果:

83 86 77 15 93 35 86 92 49 21 62 27 90 59 63 26 40 26 72 36 

1

2

4

8

16
15 21 26 26 27 35 36 40 49 59 62 63 72 77 83 86 86 90 92 93

怎么一回事？