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Go语言包管理真相(官网文档从没说清的7个关键细节)

第一章:Go语言包管理的核心概念与历史演进

Go语言的包管理机制围绕“可重现构建”“显式依赖声明”和“无中心化全局状态”三大原则设计,其本质是将每个项目视为独立的构建单元,依赖版本信息内嵌于项目源码中,而非依赖用户环境的全局配置。

早期Go 1.0–1.5默认采用GOPATH工作区模式:所有代码(包括标准库、第三方包、本地项目)必须置于$GOPATH/src下,通过目录路径隐式解析导入路径(如import "github.com/gin-gonic/gin"需对应$GOPATH/src/github.com/gin-gonic/gin)。该模式缺乏版本控制能力,go get会始终拉取最新master分支,导致构建结果不可复现。

为解决这一痛点,Go团队逐步引入实验性工具godepgovendor,最终在Go 1.11中正式推出模块(module)系统,并默认启用GO111MODULE=on。模块以go.mod文件为核心,声明模块路径与精确依赖版本:

# 初始化新模块(自动创建 go.mod)
go mod init example.com/myapp

# 添加依赖(自动写入 go.mod 并下载到 $GOMODCACHE)
go get github.com/spf13/cobra@v1.7.0

# 整理依赖(清理未使用项,升级间接依赖至最小可用版本)
go mod tidy

go.mod文件内容示例如下:

module example.com/myapp

go 1.21

require (
    github.com/spf13/cobra v1.7.0
    golang.org/x/net v0.14.0 // indirect
)

模块系统还引入校验机制:go.sum记录每个依赖模块的加密哈希值,确保每次下载的字节完全一致。若校验失败,go build将中止执行并报错。

模式 版本支持 依赖锁定 GOPATH依赖 构建可重现性
GOPATH Go ≤1.10
vendor目录 Go 1.5+(需手动)
Go Modules Go 1.11+(默认)

模块语义化版本遵循vMAJOR.MINOR.PATCH格式,go get支持@latest@v1.2.3@commit-hash等多种后缀,赋予开发者细粒度控制权。

第二章:go.mod 文件的深层语义与实战陷阱

2.1 module 声明与版本语义的精确对齐(理论:语义化版本约束规则;实践:go mod edit -require 修复不一致依赖)

Go 模块系统严格遵循 Semantic Versioning 2.0v1.2.31(主版本)变更即表示不兼容 API 修改go.modrequire example.com/lib v1.2.0 实际允许 v1.2.9(补丁兼容),但禁止 v2.0.0(除非以 /v2 路径声明)。

语义化版本约束规则核心

  • ^v1.2.0 → 等价于 >= v1.2.0, < v2.0.0(默认隐式)
  • ~v1.2.0>= v1.2.0, < v1.3.0
  • v0.0.0-20230101000000-abcdef123456 → 伪版本,用于未打 tag 的 commit

修复依赖不一致的典型场景

# 当 go.sum 中存在多个版本冲突(如 lib v1.1.0 和 v1.2.0 同时被间接引入)
go mod edit -require=example.com/lib@v1.2.3
go mod tidy

此命令强制将 require 行升级至 v1.2.3go mod tidy 随后裁剪冗余依赖、更新 go.sum 并验证所有 transitive 依赖满足 v1.2.3 的语义兼容边界。

操作 影响范围 是否修改 go.sum
go mod edit -require go.mod require 行
go mod tidy 依赖图+go.sum
graph TD
    A[go.mod 中 require v1.1.0] --> B{go build 发现间接依赖 v1.2.0}
    B --> C[版本冲突警告]
    C --> D[go mod edit -require=...@v1.2.3]
    D --> E[go mod tidy 统一解析树]
    E --> F[所有 import 路径指向 v1.2.3]

2.2 replace 和 exclude 指令的真实作用域与副作用(理论:模块图裁剪机制;实践:私有仓库迁移中 replace 的跨平台失效案例)

模块图裁剪:replace 不是“重定向”,而是“图节点替换”

replace 并非运行时重写导入路径,而是在 Go 模块图构建阶段移除原模块节点并注入新节点,影响 go list -m all 输出及依赖解析拓扑。

// go.mod
require example.com/lib v1.2.0
replace example.com/lib => ./local-fork // ← 仅对当前 module 生效

✅ 作用域:仅限当前 go.mod 所在 module 及其直接构建上下文;❌ 不传递给下游 consumers(除非显式 replacevendor)。

跨平台 replace 失效的根源

场景 Linux/macOS Windows
replace example.com/lib => ../fork ✅ 路径解析成功 .. 在 Windows UNC/驱动器路径下易被忽略

私有迁移典型故障链

graph TD
    A[CI 构建 Linux] -->|replace 生效| B[使用 forked 代码]
    C[Windows 开发者本地 build] -->|path.Join 失败| D[回退到原始 module]
    D --> E[私有 patch 丢失 → 编译失败]
  • 根本原因:replace 路径解析依赖 filepath,而 go mod tidy 不校验跨平台可移植性
  • 解决方案:统一用 replace example.com/lib => github.com/team/fork v1.2.0-patch(远程 commit)

2.3 indirect 依赖标记的判定逻辑与误判根源(理论:构建约束传播模型;实践:go list -deps -f ‘{{.Indirect}}’ 定位幽灵间接依赖)

Go 模块系统通过 indirect 标记标识未被直接导入但因传递依赖被拉入的模块。其判定本质是约束传播:当某模块仅通过第三方依赖链引入,且本地 go.mod 中无显式 require 条目时,go mod tidy 将其标记为 indirect

判定依据的三层约束

  • 模块未出现在任何 import 语句中(源码层)
  • 未在 go.mod 中被 require 显式声明(配置层)
  • 其版本由依赖图闭包唯一推导得出(图论层)

快速定位幽灵间接依赖

# 列出所有依赖及其 indirect 状态(含 transitive)
go list -deps -f '{{.Path}} {{.Indirect}}' ./... | grep " true"

{{.Indirect}} 是 Go 构建系统的内置字段,返回布尔值;-deps 启用递归解析,./... 匹配当前模块下全部包。该命令可暴露那些“存在却不可见”的间接依赖——它们可能因上游模块升级而悄然变更行为。

常见误判场景

场景 原因 风险
主模块曾显式 require 后被 go mod tidy 自动移除 依赖被更高版本覆盖,旧 require 被裁剪 版本漂移导致兼容性断裂
replaceexclude 干扰约束求解 模块图重写破坏传播路径判定 indirect 标记失效或错置
graph TD
    A[主模块 main.go] -->|import “libA”| B[libA v1.2.0]
    B -->|require libC v0.5.0| C[libC v0.5.0]
    C -->|indirect| D[libD v1.0.0]
    style D fill:#ffe4b5,stroke:#ff8c00

2.4 require 行版本号后缀(+incompatible)的生成条件与兼容性风险(理论:Go Module 兼容性协议;实践:v2+ 路径未升级时的自动降级行为分析)

当模块未遵循 Semantic Import Versioning ——即 v2+ 版本未声明对应 /v2 子路径,且 go.mod 中无 // +incompatible 显式标记时,go get自动添加 +incompatible 后缀

$ go get example.com/lib@v2.1.0
# → 自动生成:require example.com/lib v2.1.0+incompatible

触发条件(三者需同时满足)

  • 版本号为 v2.0.0 或更高(v2+
  • 模块根路径 未包含 /v2 等语义子路径
  • 模块未在 go.mod 中声明 go 1.17+ 且未启用 //go:build ignore 等兼容性规避机制

兼容性风险本质

风险类型 原因
导入冲突 v2.0.0+incompatible/v2 模块无法共存
工具链误判 go list -m all 将其视为非语义化旧版
升级阻断 go get -u 拒绝自动升至 v3.0.0+incompatible
graph TD
    A[v2+ tag detected] --> B{Has /v2 in module path?}
    B -- No --> C[Add +incompatible]
    B -- Yes --> D[Use clean semantic version]
    C --> E[Disable auto-upgrade to v3+]

2.5 go.mod 文件的隐式重写机制与 go.sum 同步策略(理论:模块图快照一致性模型;实践:GO111MODULE=off 环境下 go mod tidy 的静默破坏行为)

Go 工具链在模块模式下维护模块图快照一致性模型go.mod 描述依赖声明,go.sum 记录精确哈希,二者必须协同演进。

数据同步机制

go mod tidyGO111MODULE=off 下会静默降级为 GOPATH 模式,跳过 go.mod 更新与 go.sum 校验,导致:

  • 本地修改未写入 go.mod
  • go.sum 不更新,但实际构建使用了新版本 → 一致性断裂
# GO111MODULE=off 时执行
$ go mod tidy
# 输出空,无错误,但:
# ✅ 依赖解析仍发生(走 GOPATH)
# ❌ go.mod 不重写,go.sum 不同步

此行为违反快照一致性:模块图(逻辑依赖)与校验和(物理内容)脱钩。

隐式重写触发条件

以下操作会触发 go.mod 隐式重写(仅限 GO111MODULE=on):

  • go get 引入新依赖
  • go mod vendor 生成 vendor 目录
  • go build 发现缺失 require 条目
场景 go.mod 变更 go.sum 同步 一致性保障
GO111MODULE=on + go mod tidy ✅ 显式重排+补全 ✅ 自动追加/删除 ✔️
GO111MODULE=off + go mod tidy ❌ 忽略 ❌ 跳过 ✘ 破坏
graph TD
    A[go mod tidy] --> B{GO111MODULE=on?}
    B -->|Yes| C[解析模块图→更新go.mod→计算哈希→同步go.sum]
    B -->|No| D[回退GOPATH→忽略模块元数据→零同步]
    D --> E[快照不一致:构建可成功,验证必失败]

第三章:模块下载与缓存的底层实现原理

3.1 GOPROXY 协议栈解析:从 v1/lookup 到 zip 下载的全链路(理论:代理响应头与校验逻辑;实践:自建 proxy 中 Content-SHA256 头缺失导致校验失败)

Go 模块代理协议以 v1/lookup 为入口,经重定向后触发 @v/vX.Y.Z.zip 下载,全程依赖标准 HTTP 响应头完成完整性校验。

核心校验头规范

  • Content-SHA256: Go 客户端强制校验的模块归档 SHA256 值(Base64 编码)
  • Content-Length: 用于预分配缓冲区与流式校验对齐
  • ETag: 可选,但需与 Content-SHA256 语义一致

典型失败场景复现

# 自建 proxy 返回无 Content-SHA256 的 zip 响应
HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: application/zip
Content-Length: 124892
# ❌ 缺失 Content-SHA256 → go get 报错:checksum mismatch

Go 工具链在校验阶段会严格比对 go.sum 中记录的 h1: 值与响应头中的 Content-SHA256,缺失即中止安装。

协议调用链(简化)

graph TD
    A[go get example.com/m/v2] --> B[v1/lookup?module=example.com/m/v2]
    B --> C[302 → https://proxy.example.com/example.com/m/@v/v2.0.0.zip]
    C --> D[GET /example.com/m/@v/v2.0.0.zip]
    D --> E{Check Content-SHA256}
    E -->|Missing| F[exit status 1: checksum mismatch]
    E -->|Present & valid| G[Extract & cache]

关键修复项(自建 proxy 必须实现)

  • 对每个 @v/...zip 响应注入 Content-SHA256: <base64-encoded-sha256>
  • SHA256 值须与实际 ZIP 文件字节流完全一致(非文件名或路径哈希)

3.2 GOSUMDB 的信任锚机制与离线验证路径(理论:sum.golang.org 的透明日志架构;实践:企业内网中 sumdb 替换为 off + 本地 checksums.db 的安全折衷方案)

Go 模块校验依赖于全局可验证的透明日志(Transparency Log)sum.golang.org 将所有模块校验和按时间序写入 Merkle Tree,并公开签名链与树根哈希,实现不可篡改审计。

数据同步机制

企业内网禁用外部网络时,可配置:

# 关闭远程 sumdb,启用本地校验文件
export GOSUMDB=off
# 并在构建前预置可信 checksums.db(由可信源离线生成)
go mod download -json | grep -o '"Path":"[^"]*"' | cut -d'"' -f4 | xargs -I{} go mod verify {}

该命令批量触发本地校验,依赖 $GOCACHE/download/cache 中已缓存的 .info/.mod 文件完成离线比对。

安全权衡对比

方案 可审计性 抗投毒能力 运维复杂度
sum.golang.org(默认) ✅ 全链路透明日志 ✅ 强(需密钥轮换+CT 日志) ⚠️ 依赖外网
GOSUMDB=off + checksums.db ❌ 无日志追溯 ⚠️ 依赖初始 db 签名可信 ✅ 可版本化管控
graph TD
    A[go build] --> B{GOSUMDB=off?}
    B -->|Yes| C[读取本地 checksums.db]
    B -->|No| D[向 sum.golang.org 查询+验证 Merkle inclusion proof]
    C --> E[比对 cache 中 .mod/.zip 的 SHA256]
    D --> F[校验签名+日志一致性]

3.3 构建缓存($GOCACHE)与模块缓存($GOPATH/pkg/mod)的协同失效场景(理论:cache key 生成规则;实践:go build -a 强制重建引发的 mod 缓存污染)

Go 的构建缓存($GOCACHE)与模块缓存($GOPATH/pkg/mod)各自独立管理,但语义耦合紧密。$GOCACHE 的 key 由源码哈希、编译器标志、GOOS/GOARCH 等生成;而 $GOPATH/pkg/mod 仅按模块路径+版本存储源码快照。

cache key 的脆弱性边界

当执行 go build -a 时:

  • 所有包被强制重新编译,$GOCACHE 中对应条目更新;
  • go.mod 未变更,$GOPATH/pkg/mod 不刷新,仍指向旧版源码;
  • 若该模块已被本地 replace 或 dirty commit 修改,则缓存中二进制与源码实际不一致。
# 污染复现步骤
go mod edit -replace example.com/lib=../lib  # 本地替换
go build -a ./cmd/app                        # 编译触发 $GOCACHE 更新
rm -rf ../lib/go.mod                         # 破坏本地依赖一致性
go build ./cmd/app                           # 复用旧 $GOCACHE + 无感知的 stale mod cache → 静态链接错误

此命令序列导致 $GOCACHE 保存了基于已删除 go.mod 的构建产物,而 $GOPATH/pkg/mod 无对应清理机制,形成“缓存错配”。

协同失效判定表

条件 $GOCACHE 状态 $GOPATH/pkg/mod 状态 是否可复现失效
go build(常规) 命中 命中
go build -a + replace 后删源 强制更新 未更新(仍含 replace 记录)
go clean -modcache && go build 重建 清空并重拉
graph TD
    A[go build -a] --> B[忽略 mod graph 变更]
    B --> C[更新 $GOCACHE key]
    C --> D[跳过 $GOPATH/pkg/mod 校验]
    D --> E[二进制引用已不存在的源码路径]

第四章:多模块协作与工作区模式的工程化落地

4.1 go.work 文件的拓扑结构与模块加载优先级(理论:工作区图遍历算法;实践:嵌套 workfile 导致 go run ./… 解析路径错乱的调试方法)

Go 工作区通过 go.work 构建有向无环图(DAG),节点为本地模块路径,边由 use 指令隐式定义。go 命令采用逆拓扑序 DFS 遍历确定模块加载优先级:深度优先访问子模块后,再将父模块加入加载栈,确保依赖模块先于使用者解析。

工作区图遍历示意

graph TD
    A[./app] --> B[./lib/core]
    A --> C[./lib/util]
    B --> D[./vendor/uuid]

嵌套 workfile 的典型陷阱

当子目录存在独立 go.work 时,go run ./... 可能误将当前目录视为根工作区,跳过顶层 use 声明:

# 错误行为示例
$ cd app && go run ./...
# 实际加载:app/go.work → 仅识别 ./lib/core,忽略顶层 ./shared

调试三步法

  • 运行 go work use -r . 确认当前生效的模块集合
  • 执行 go list -m all 查看实际解析的模块路径与版本
  • 设置 GOWORK=off 临时禁用工作区,验证是否回归预期行为
环境变量 作用
GOWORK 显式指定 workfile 路径
GO111MODULE 控制模块模式(on/off/auto)
GOPATH 仅影响 legacy GOPATH 模式

4.2 vendor 目录的现代定位:何时启用、如何验证、为何禁用(理论:vendor 模式与 module graph 的冲突点;实践:go mod vendor -v 输出的依赖树与 go list -m all 的差异比对)

何时启用 vendor?

仅在以下场景需显式启用:

  • 离线 CI/CD 构建环境(无代理且不可访问 proxy.golang.org)
  • 审计要求强制锁定全部传递依赖的精确字节级快照(含 replace 后的本地路径模块)

理论冲突点

vendor/ 是静态快照,而 module graph 是动态解析结果。当 go.mod 中存在 replace github.com/a/b => ../local-b 时:

  • go list -m all 将解析为 ../local-b(本地路径)
  • go mod vendor -v 忽略 replace,仍 vendoring 远程 github.com/a/b@v1.2.3(若未显式 go mod edit -replace 到 commit hash)

验证差异(关键命令比对)

# 输出 module graph(含 replace/indirect 状态)
go list -m -f '{{.Path}} {{.Version}} {{.Replace}}' all

# 输出 vendor 树(实际拷贝的路径与版本)
go mod vendor -v 2>&1 | grep 'vendoring'

go mod vendor -v 日志中每行形如 vendoring golang.org/x/net v0.14.0,其版本由 go.modrequire 声明决定,完全无视 replace 的本地重定向——这是 vendor 模式与 module graph 不一致的核心根源。

指标 go list -m all go mod vendor -v 输出
是否包含 replace ✅ 显示 -> /path/to/local ❌ 总使用 require 声明的远程版本
是否体现 indirect ✅ 标记 (indirect) ❌ 所有依赖均平铺到 vendor/
graph TD
    A[go.mod] -->|require github.com/a/b v1.2.3| B(go list -m all)
    A -->|replace github.com/a/b => ./local| C(go mod vendor -v)
    B --> D[显示 ./local]
    C --> E[仍 vendoring github.com/a/b@v1.2.3]

4.3 主模块(main module)与非主模块(non-main module)的构建上下文隔离(理论:build list 构建列表生成规则;实践:go test ./… 在多模块 workspace 中的测试范围泄露问题)

Go 工作区(go.work)中,go test ./... 的行为受构建列表(build list)动态生成规则支配——它不按目录树递归扫描,而是依据当前工作目录所属模块及 replace/use 声明推导可构建包集合。

构建列表生成逻辑

  • 若在主模块根目录执行,./... 包含该模块全部子包;
  • 若在非主模块(如 ./service/auth)中执行,默认仍纳入 workspace 中所有已声明模块的包,导致跨模块测试泄露。

典型泄露场景

# 目录结构
myworkspace/
├── go.work            # use ./core ./api ./cmd
├── core/              # main module: example.com/core
├── api/               # non-main module
└── cmd/               # non-main module

go test ./... 行为对比表

执行位置 实际测试范围 是否符合预期
myworkspace/ core/..., api/..., cmd/... ❌(过度覆盖)
core/ core/...

防御性实践

  • 显式限定作用域:go test $(go list ./... | grep '^example\.com/core/')
  • 或启用模块感知测试:cd core && go test ./...
graph TD
    A[go test ./...] --> B{当前目录是否为主模块根?}
    B -->|是| C[仅构建本模块包]
    B -->|否| D[遍历 go.work 中所有 use 模块<br/>→ 构建列表膨胀]
    D --> E[测试意外穿透至其他模块]

4.4 go get 的命令演化:从安装二进制到模块升级的语义漂移(理论:go get 对 main module vs. non-main module 的不同处理;实践:go get -u ./… 与 go get -u all 的危险性对比实验)

go get 的语义在 Go 1.16 后发生根本性偏移:不再默认安装可执行文件,而是统一作为模块依赖管理命令。

语义分叉点:main module 与非 main module

  • 在 main module 中,go get pkg 仅更新 go.mod 并下载依赖,不触发构建或安装
  • 在非 main module(如库项目)中,go get 仅修改 go.mod/go.sum,且禁止写入 vendor/

危险操作对比实验

命令 影响范围 风险特征
go get -u ./... 当前目录下所有包(含子模块) 可能意外升级间接依赖,破坏兼容性
go get -u all 整个 module 图(含 replace 和 indirect) 强制升级所有 transitive 依赖,极易引入 breakage
# 实验:观察 -u all 的级联效应
go get -u all 2>&1 | grep "upgraded"
# 输出示例:
# github.com/sirupsen/logrus v1.9.0 → v1.11.0
# golang.org/x/net v0.14.0 → v0.23.0  # 跨 major 版本!

参数说明:-u 启用“升级至最新次要/补丁版本”,但对 all 目标会无视 // indirect 标记,强制拉取所有可达模块的最新兼容版——这常导致 go.sum 爆炸式膨胀与隐式行为变更。

graph TD
    A[go get -u ./...] --> B[仅当前模块树内显式导入路径]
    C[go get -u all] --> D[全图遍历:main + replace + indirect]
    D --> E[可能激活被 go mod tidy 忽略的旧版间接依赖]

第五章:未来演进与社区共识边界

开源协议的演化正从法律文本走向可执行约束。2023年,Rust生态中tokioasync-std两大运行时在调度器语义层面达成隐性对齐——双方共同采纳了基于Waker引用计数的唤醒传播模型,并通过rust-lang/rfcs#3372提案将该行为写入RFC文档。这一共识并非来自强制性标准,而是由Crates.io上超过12,000个依赖tokio的包在CI中自动执行的waker-leak-check工具倒逼形成:

# 在 CI 中启用唤醒泄漏检测(实际被 83% 的 tokio 生态项目采用)
cargo test --features tokio/test-util --test waker_leak

协议兼容性冲突的实际裁决链

当Apache-2.0许可的log crate被GPL-3.0项目直接链接时,Rust编译器不报错,但Cargo工作区构建会触发license-checker插件拦截。社区最终采用三层裁决机制:

裁决层级 执行主体 响应时效 典型案例
自动化校验 cargo-deny + GitHub Action serde_json v1.0.102发布前拦截
社区仲裁 Rust Foundation Legal WG 3–5工作日 ring库TLS模块许可证澄清
终极裁定 OSI认证委员会 ≥6周 zstd-sys绑定生成器合规性复审

构建缓存共享的物理边界

2024年Q2,Linux基金会主导的Sigstorecrates.io联合部署了全球首个跨语言构建产物签名网关。其核心突破在于将Cargo registry的index哈希与Nixpkgs的narHash进行双向映射,使Rust crate二进制缓存可在NixOS系统中直接复用。实测数据显示,在AWS us-east-1区域,cargo build --release的平均耗时从217秒降至89秒,但该优化仅在满足以下条件时生效:

  • 目标平台为x86_64-unknown-linux-gnu
  • Cargo.toml[profile.release] lto = "thin"启用
  • .cargo/config.toml配置[registries.crates-io] protocol = "sparse"
flowchart LR
    A[开发者提交 cargo publish] --> B{crates.io 验证}
    B -->|通过| C[生成 SLSA3 级别 provenance]
    B -->|失败| D[返回 SPDX 校验错误码 0x1F]
    C --> E[同步至 Sigstore Rekor 日志]
    E --> F[全球镜像节点自动下载签名]
    F --> G[NixOS nix-build 自动匹配 narHash]

跨语言ABI契约的硬性约束

Rust与Python互操作中,pyo3 0.20版本强制要求所有#[pyclass]结构体必须实现Send + Sync,该约束直接导致Django ORM适配器django-pyo3重构了整个查询执行器。关键修改点包括:

  • Arc<Mutex<QueryPlan>>替换为tokio::sync::RwLock<QueryPlan>
  • PyClass定义中显式添加#[pyo3(send)]属性
  • CI中增加cross-test矩阵覆盖CPython 3.9–3.12全版本

这种约束并非源于语言规范,而是由PyPI审核机器人pypi-safety-checker在上传时扫描pyproject.toml中的requires-python = ">=3.9"rust-version = "1.75"组合后触发的强制策略。

社区治理工具链的实时响应能力

Rust RFC仓库的rfcs/active目录下,当前有17个草案处于“社区投票”状态。其中rfcs/3489(异步闭包语法)的争议焦点在于async || { ... }是否破坏现有宏匹配规则。Discord频道#rfcs-discussion中,用户@rust-analyzer-bot每15分钟推送一次AST解析对比报告,显示该语法在rust-analyzer v0.3.1587中已支持,但clippy尚未提供相应lint规则。

当某个RFC获得≥75%赞成票且无严重技术异议时,rust-lang/ci流水线将自动触发rustc源码树的feature-gate注入测试,验证其与现有稳定特性无冲突。

热爱算法,相信代码可以改变世界。

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