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UTF-16是Unicode字符编码五层次模型的第三层：字符编码表（Character Encoding Form，也称为"storage format"）的一种实现方式。即把Unicode字符集的抽象码位映射为16位长的整数（即码元）的序列，用于数据存储或传递。Unicode字符的码位，需要1个或者2个16位长的码元来表示，因此这是一个变长表示。
UTF是"Unicode/UCS Transformation Format"的首字母缩写，即把Unicode字符转换为某种格式之意。UTF-16正式定义于ISO/IEC 10646-1的附录C，而RFC2781也定义了相似的做法。
Unicode的编码空间从U+0000到U+10FFFF，共有1,112,064个码位（code point）可用来映射字符。Unicode的编码空间可以划分为17个平面（plane），每个平面包含216（65,536）个码位。17个平面的码位可表示为从U+xx0000到U+xxFFFF，其中xx表示十六进制值从0016到1016，共计17个平面。第一个平面称为基本多语言平面（Basic Multilingual Plane, BMP），或称第零平面（Plane 0），其他平面称为辅助平面（Supplementary Planes）。基本多语言平面内，从U+D800到U+DFFF之间的码位区段是永久保留不映射到Unicode字符。UTF-16就利用保留下来的0xD800-0xDFFF区块的码位来对辅助平面的字符的码位进行编码。
第一个Unicode平面（码位从U+0000至U+FFFF）包含了最常用的字符。该平面被称为基本多语言平面，缩写为BMP（Basic Multilingual Plane，BMP）。UTF-16与UCS-2编码这个范围内的码位为16比特长的单个码元，数值等价于对应的码位。BMP中的这些码位是仅有的可以在UCS-2中表示的码位。
辅助平面（Supplementary Planes）中的码位，在UTF-16中被编码为一对16比特长的码元（即32位，4字节），称作代理对（Surrogate Pair），具体方法是：
UTF-16解码
lead \ trail
DC00
DC01
…
DFFF
D800
10000
10001
…
103FF
D801
10400
10401
…
107FF
?
?
?
?
?
DBFF
10FC00
10FC01
…
10FFFF
码位减去 ，得到的值的范围为20比特长的 。
高位的10比特的值（值的范围为 ）被加上 得到第一个码元或称作高位代理（high surrogate），值的范围是 。由于高位代理比低位代理的值要小，所以为了避免混淆使用，Unicode标准现在称高位代理为前导代理（lead surrogates）。
低位的10比特的值（值的范围也是 ）被加上 得到第二个码元或称作低位代理（low surrogate），现在值的范围是 。由于低位代理比高位代理的值要大，所以为了避免混淆使用，Unicode标准现在称低位代理为后尾代理（trail surrogates）。
上述算法可理解为：辅助平面中的码位从U+10000到U+10FFFF，共计FFFFF个，即220=1,048,576个，需要20位来表示。如果用两个16位长的整数组成的序列来表示，第一个整数（称为前导代理）要容纳上述20位的前10位，第二个整数（称为后尾代理）容纳上述20位的后10位。还要能根据16位整数的值直接判明属于前导整数代理的值的范围（210=1024)，还是后尾整数代理的值的范围（也是210=1024）。因此，需要在基本多语言平面中保留不对应于Unicode字符的2048个码位，就足以容纳前导代理与后尾代理所需要的编码空间。这对于基本多语言平面总计65536个码位来说，仅占3.125%。
由于前导代理、后尾代理、BMP中的有效字符的码位，三者互不重叠，搜索是简单的：一个字符编码的一部分不可能与另一个字符编码的不同部分相重叠。这意味着UTF-16是自同步（self-synchronizing）的：可以通过仅检查一个码元来判定给定字符的下一个字符的起始码元。UTF-8也有类似优点，但许多早期的编码模式就不是这样，必须从头开始分析文本才能确定不同字符的码元的边界。
由于最常有的字符都在基本多文种平面中，许多软件处理代理对的部分往往得不到充分的测试。这导致了一些长期的bug与潜在安全漏洞，它们甚至存在于广为流行且评价颇高的应用软件中。
Unicode标准规定U+D800...U+DFFF的值不对应于任何字符。
但是在使用UCS-2的时代，U+D800...U+DFFF内的值被占用，用于某些字符的映射。但只要不构成代理对，许多UTF-16编码解码还是能把这些不符合Unicode标准的字符映射正确的辨识、转换成合规的码元。按照Unicode标准，这种码元序列本来应算作编码错误。
以U+10437编码（
