C言語基礎｜論理シフトと算術シフト

C言語基礎｜論理シフトと算術シフト

同じ右シフトでも結果が変わる！？論理シフトと算術シフトで“負数のビットの動き”をスッキリ整理しよう。

論理シフトと算術シフトは「負数の右シフト」を理解する鍵

シフト演算（<< や >>）は、ビット列を左や右にずらす操作でしたね。
でも、負の整数を右にずらすときは話が少しややこしくなります。

理由はカンタンで、負数は最上位ビット（符号ビット）が 1 になっていることが多く、右にずらしたときに

• 左側の空いたビットを 0 で埋めるのか
• それとも 1（符号ビット）で埋めるのか

で、結果がまったく変わってしまうからです。

この「埋め方」の代表が、論理シフトと算術シフトです。
C言語では、符号付き負数の右シフトは処理系依存になりやすいので、ここをちゃんと理解しておくと安全なコードが書けるようになります。

まずは用語の整理：論理シフトと算術シフト

提示文の内容を、学習用に表でまとめます。

論理シフトと算術シフトの違い（右シフトのイメージ）

この表の説明

• 論理シフトは「ビット列としての右シフト」です。符号なんて知らないよ、という感じ。
• 算術シフトは「符号付き整数としての右シフト」です。符号を維持しやすい動きになります。
• どちらが使われるかは処理系や型（signed/unsigned）で変わるので、C言語では注意が必要です。

負の値を右に1ビットずらしたときの違い

図：負の整数の右シフト（論理シフト vs 算術シフト）

元（負の値の例）: 1 xxx xxxx xxxx xxxx   （先頭の1が符号ビット）

a) 論理シフト（右へ1）
   0 1xx xxxx xxxx xxxx   ← 左端は0で埋める
   → 符号ビットが0になるので、0または正になりやすい

b) 算術シフト（右へ1）
   1 1xx xxxx xxxx xxxx   ← 左端は元の符号ビット(1)で埋める
   → 負のままになりやすい

この図の説明

• “右シフト”の共通部分は「全体が右へずれる」ことです。
• 違いは、左端（上位側）の空きを何で埋めるかだけ。
• ところがその 1ビットが、符号（正負）を左右するので結果が激変します。

算術シフトは「だいたい 1/2」っぽく見える理由

算術シフトは、符号ビットを維持する方向に動くので、負数でも「割り算っぽい」動きに見えます。

表：算術右シフトが割り算っぽい理由（イメージ）

この表の説明
2進数は 1ビット動くと重みが変わるので、シフトが倍率変化に見えます。
ただし負数のときは、丸め方向（切り捨て/切り上げ相当）の差で、単純に割り算と一致しない場面が出ます。

C言語での超重要ポイント：unsigned なら論理シフトの動きになりやすい

C言語では、一般的に

• unsigned の右シフトは、上位が 0 で埋まる（論理シフトのイメージ）
• signed の右シフト（特に負数）は処理系依存になりやすい

と考えると安全です。

安全な方針

この表の説明
教材としては、まず unsigned 中心でビット操作に慣れるのが一番スムーズです。
「負数のシフトは罠がある」ことだけ先に知っておけばOKです。

登場する命令（演算子）の書式と「何をする命令か」

ここで扱う命令（演算子）はシンプルです。

今回の主役（シフト演算子）

代入を伴う形（よく使う）

この表の説明

• や << は「新しい値を生成」
• = や <<= は「ずらした結果で自分を書き換える」
  という違いがあります。

サンプルプログラム

同じビット列を signed と unsigned で表示して、右シフト結果の違いが出る可能性を観察するプログラムです。

ポイント

• 同じ 0xF0（上位が1になりやすい値）を signed char と unsigned char として解釈させる
• 右シフトしたときに、上位が 0 埋めになりやすいか、1 埋めになりやすいかを見比べる

プロジェクト名：chap7-18-1　ソースファイル名：chap7-18-1.c

// 論理シフトと算術シフトの「雰囲気」を観察する例
#include <stdio.h>

void print_bits8(unsigned x)
{
    for (int i = 7; i >= 0; i--) {
        putchar(((x >> i) & 1U) ? '1' : '0');
    }
}

int main(void)
{
    unsigned char u = 0xF0;        // 11110000
    signed char   s = (signed char)u;

    printf("観察：同じ8ビットでも、型で右シフトの結果が変わることがあります。\n\n");

    printf("unsigned char u = 0xF0\n");
    printf("u          = "); print_bits8(u); putchar('\n');
    printf("u >> 1     = "); print_bits8((unsigned)(u >> 1)); putchar('\n');

    putchar('\n');

    printf("signed char s = (signed char)0xF0\n");
    printf("s(ビット)   = "); print_bits8((unsigned char)s); putchar('\n');
    printf("s >> 1(ビット)= "); print_bits8((unsigned char)(s >> 1)); putchar('\n');

    printf("\nメモ：signed の負数右シフトは、環境によって埋め方が変わる可能性があります。\n");
    printf("ビット操作は unsigned を基本にすると安全です。\n");

    return 0;
}

このプログラムの説明

• u は unsigned char なので、右シフト時に 上位が 0 で埋まる動き（論理シフトっぽさ）を期待できます。
• s は signed char で、0xF0 は多くの環境で負数扱いになりやすいので、右シフト時に 上位が 1 で埋まる動き（算術シフトっぽさ）が出ることがあります。
• ただしここが重要で、signed の負数右シフトは処理系依存なので、結果は環境で変わり得ます。
  「変わり得ることを観察する」ための教材プログラムです。

まとめ：迷ったらこう覚える

• 論理シフト：上位を 0 で埋める（ビット列として自然）
• 算術シフト：上位を符号ビットで埋める（符号を保ちやすい）
• C言語で安全にビット操作したいなら、まず unsigned を使う