左移操作在左操作数为负值时会引发未定义行为的原因是，有符号整数类型的设计如此。如果数学操作的结果不能适应目标类型（即溢出或下溢），则对于带符号类型的任何操作都会有未定义行为。

对于左移操作，如果值为正数或0，则将操作符定义为乘以2的幂是有意义的，因此一切都正常，除非结果溢出，这并没有什么奇怪的地方。如果值为负数，则可以将其解释为乘以2的幂，但是如果仅从位移的角度考虑，这可能会让人感到困惑。显然，标准委员会希望避免这种歧义。

我的结论是：

• 如果要进行实际的位模式操作，请使用无符号类型
• 如果要将一个值（有符号或无符号）乘以2的幂，请直接执行此操作，例如 i * (1u << k)

无论如何，您的编译器都将将此转换为合理的汇编代码。

设置二进制补码数的符号位等效于将无限数量的位设置为左侧。32位数中可表示的值是指在第31位左侧的所有位具有相同值的值。将负的二进制补码值进行位移并没有什么异常或异常之处，除非存在超过符号位的值，其状态与符号位不匹配。

C中的位左移操作，当左操作数为负值时，会引发未定义行为。但是在C++中，行为是定义明确的。那么为什么C和C++会有这种差异呢？

简单的答案是：因为标准是这样规定的。

更详细的答案是：这可能与C和C++都允许负数的其他表示方式（除了2的补码）有关。对于可能在其他硬件上使用的语言，包括一些陌生的或者旧的机器，给出较少的保证可以实现这一点。

由于某种原因，C++标准化委员会决定增加一点关于位表示如何变化的保证。但是，由于负数仍然可以通过1的补码或者符号+大小表示法进行表示，所以结果的可能性仍然存在差异。

假设使用16位的int类型，我们有以下结果：

-1 = 1111111111111111 // 2的补码

-1 = 1111111111111110 // 1的补码

-1 = 1000000000000001 // 符号+大小表示法

左移3位后，我们得到：

-8 = 1111111111111000 // 2的补码

-15 = 1111111111110000 // 1的补码

8 = 0000000000001000 // 符号+大小表示法

那么是什么促使ISO C++委员会认为这种行为是定义明确的，而不同于C中的行为呢？

我猜他们提供这个保证是为了在你知道自己在做什么时（比如你确定你的机器使用2的补码），你可以适当地使用左移运算符。

另一方面，当左操作数为负数时，位右移操作的行为是实现定义的，对吗？

我需要查看标准来确认。但是你可能是对的。在2的补码机器上，没有带符号扩展的右移操作并不特别有用。所以，当前的状态肯定比要求空出的位被填充为零要好，因为这给了进行符号扩展的机器留下了空间，尽管这并不是保证的。

当编写标准时，目标之一是尽可能地确保，如果任何实现在某种情况下执行了某些有用的操作，符合标准的实现也应该被允许执行类似的操作。当一个实现在标准范围之外以某种方式有用地陷入时，被标记为引发未定义行为。C标准的作者可以想象到，某些实现在左移一些负值时可能会陷入，而且某些人可能会发现这很有用，所以行为被保留为未定义。

一些现有的实现在右移时进行零填充，而其他实现进行符号扩展，因为一些为前者编写的代码可能依赖于这种行为，所以被标记为实现定义的。我认为当C++委员会意识到可能有一些平台在左移负值时可能会陷入，但实际上没有这样的平台，而且允许未来的实现开始这样做没有任何好处时，他们修复了左移操作的行为。

左移操作在左操作数具有负值时会引发未定义行为的原因是因为C++标准规定：如果左操作数具有有符号类型且非负值，并且E1×2^E2在结果类型中是可表示的，则结果值为E1×2^E2；否则，行为是未定义的。

具体来说，这是因为左移操作需要确定被移出的位和剩下的位应该如何处理。对于无符号类型，剩下的位将被填充为零。但是对于有符号类型，尤其是负值，左移操作的结果是没有定义的。

解决方法是避免在左移操作中使用负值的左操作数。可以通过将左操作数转换为无符号类型来解决这个问题，或者通过使用其他操作符（如右移操作符）来达到相同的目的。此外，还可以使用条件判断来确保左移操作不会导致未定义行为。

总之，左移操作在左操作数具有负值时会导致未定义行为，这是因为C++标准没有明确规定对于这种情况应该如何处理。为了避免这种问题，应该尽量避免在左移操作中使用负值的左操作数，并采取适当的处理措施，如类型转换或条件判断。