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【仅开放72小时】Golang国产CPU兼容性矩阵V2.1(覆盖申威SW64/龙芯LoongArch/海光Hygon/飞腾ARM64)

第一章:Golang国产CPU兼容性矩阵V2.1发布背景与战略意义

随着信创产业加速落地,国产CPU生态从“能用”迈向“好用、广用”的关键阶段。Golang作为云原生与基础设施领域的核心编程语言,其对龙芯(LoongArch)、申威(SW64)、鲲鹏(ARM64)、海光(x86_64 兼容)及兆芯(x86_64 兼容)等主流国产架构的原生支持能力,已成为政企系统迁移、中间件重构和边缘计算部署的底层刚需。V2.1版本并非简单更新,而是首次将兼容性验证深度延伸至Go 1.21+运行时特性(如异步抢占式调度、内存屏障语义强化)、CGO交叉编译链稳定性,以及国产固件(如UEFI Loongnix、Kylin Secure Boot)下的二进制启动可靠性。

兼容性验证体系升级

新版矩阵采用三层验证机制:

  • 基础层:Go标准库核心包(net/http, crypto/tls, runtime/pprof)在各CPU平台零panic通过率;
  • 工程层:基于Kubernetes v1.28、Etcd v3.5、TiDB v7.5等典型信创栈组件的交叉构建与压力测试;
  • 安全层:启用-buildmode=pie -ldflags="-buildid="并验证ASLR/Stack Canary在申威SW64上的生效状态。

关键技术突破

针对龙芯3A6000平台,V2.1正式支持Go原生LoongArch64 ABI(无需依赖loongcc转换层),开发者可直接执行:

# 在LoongArch64宿主机上构建原生二进制
GOOS=linux GOARCH=loong64 go build -ldflags="-s -w" -o server server.go
# 验证指令集兼容性(输出应包含 'la' 前缀指令)
objdump -d server | grep -E "^\s+[0-9a-f]+:" | head -5

该命令确认生成代码已使用LoongArch原生指令,规避了此前V1.x中因模拟层引入的性能损耗。

生态协同价值

CPU架构 Go原生支持起始版本 V2.1新增能力
LoongArch Go 1.18 TLS 1.3硬件加速握手支持
SW64 Go 1.20 内存模型严格遵循SPARC-style语义
Kunpeng Go 1.16 ARM SVE向量化编译器后端启用开关

此次发布标志着国产CPU平台Golang开发正式进入“开箱即用、生产就绪”新阶段,为金融、电力、交通等关键行业提供确定性编译与运行保障。

第二章:四大国产CPU架构底层原理与Go运行时适配机制

2.1 SW64指令集特性与Go汇编层适配实践

SW64是申威自主设计的64位RISC指令集,具备显式寄存器重命名、双发射超标量流水线及专用向量-矩阵协处理器支持。Go 1.21+ 通过 GOARCH=sw64 启用原生支持,其汇编层需精准映射SW64特有语义。

寄存器约定与ABI对齐

Go runtime 强制使用 $r16–$r31 为callee-saved寄存器,$r0–$r15 为caller-saved,与SW64 ELF ABI v2.0严格一致。

典型向量化内存加载示例

// memload_amd64.s → 适配为 memload_sw64.s
MOVDU.P  $r2, ($r1), $r3   // $r3 = *(uint64*)$r1; $r1 += 8 (post-increment)

MOVDU.P 是SW64独有的带偏移自动更新的非对齐加载指令;.P 后缀表示“post-increment”,避免Go编译器插入额外add指令,提升slice遍历性能。

Go汇编适配关键约束

  • 不支持LEA类地址计算指令,需用ADDQ+SLLQ模拟
  • 所有调用必须显式保存$r29(frame pointer)和$r30(link register)
  • TEXT符号需标注NOSPLIT以禁用栈分裂——因SW64 runtime暂未实现栈复制协议
指令特性 SW64原生支持 Go asm可用 备注
条件分支延迟槽 Go工具链自动填充NOP
向量gather-load ✅(VSX扩展) ⚠️(实验性) GOEXPERIMENT=sw64vsx
graph TD
    A[Go源码] --> B[gc编译器]
    B --> C{目标架构?}
    C -->|sw64| D[调用sw64/asm.go生成obj]
    D --> E[链接器注入runtime·sw64_asm.o]
    E --> F[最终可执行文件]

2.2 LoongArch ABI规范解析及runtime/cgo交叉编译验证

LoongArch ABI 定义了函数调用约定、寄存器使用规则、栈帧布局与数据对齐策略,是 Go 运行时与 C 代码互操作的基石。

寄存器角色与调用约定

  • a0–a7:用于传递前8个整型/指针参数(右对齐,剩余压栈)
  • t0–t7:调用者保存寄存器(cgo 调用中需由 Go runtime 显式备份)
  • s0–s8:被调用者保存寄存器(Go goroutine 切换时由 runtime 保存)

cgo 交叉编译关键检查项

# 验证目标平台 ABI 兼容性
GOOS=linux GOARCH=loong64 CGO_ENABLED=1 \
CC=/opt/loongarch64-linux-gcc/bin/loongarch64-linux-gcc \
go build -o hello.la ./main.go

此命令启用 cgo 并指定 LoongArch 专用交叉工具链;CC 必须指向支持 -mabi=lp64d 的 GCC 版本(LoongArch 双精度浮点 ABI),否则 runtime 中 getg() 等内联汇编将因寄存器别名冲突而崩溃。

ABI 特性 LoongArch 值 Go runtime 适配要求
指针大小 8 bytes unsafe.Sizeof((*int)(nil)) == 8
栈对齐要求 16-byte runtime.stackalloc 强制对齐
参数传递起始寄存器 a0 cgocall 汇编桩正确映射 a0-a7
graph TD
    A[cgo 调用] --> B{runtime.checkASM<br>验证寄存器保存策略}
    B -->|t0-t7 被修改| C[panic: “cgo call with corrupted registers”]
    B -->|s0-s8 已保存| D[执行 C 函数]
    D --> E[runtime.mcall 切回 g0]

2.3 Hygon x86-64增强指令集对Go GC与调度器的影响分析

Hygon Dhyana/Phytium系列处理器在x86-64基础上扩展了MOVDIR64BENQCMD及原子内存排序强化指令,显著影响Go运行时关键路径。

GC屏障性能提升

Go 1.22+利用MOVDIR64B加速写屏障的批量指针标记:

// Go runtime/internal/syscall_linux_amd64.s(适配Hygon)
MOVDIR64B %rax, (%rdi)  // 原子写入64字节,避免TLB抖动

该指令绕过常规store buffer,在NUMA节点间减少缓存一致性开销,GC mark termination阶段延迟下降约12%(实测于Hygon C86-3S @ 2.8GHz)。

调度器抢占优化

Hygon增强的ENQCMD支持无锁任务队列入队:

指令 传统CMPXCHG8B ENQCMD(Hygon)
延迟(cycles) ~45 ~18
可扩展性 O(n²)争用 近似O(1)
graph TD
    A[goroutine yield] --> B{检测抢占点}
    B -->|Hygon ENQCMD| C[原子入全局runq]
    B -->|x86-64 CMPXCHG| D[自旋重试]
    C --> E[MP直接消费]

2.4 飞腾ARM64平台内存模型与Go内存屏障实现一致性校验

飞腾D2000/FT-2000+等ARM64处理器遵循ARMv8-A弱内存模型(Weak Memory Model),允许重排序Load-Load、Load-Store及Store-Store操作,需显式屏障保障顺序语义。

数据同步机制

Go运行时在src/runtime/stubs_asm_arm64.s中为ARM64平台定义了底层屏障原语:

// GO_RUNTIME_MEMBARRIER: 实现acquire/release语义
TEXT runtime·membarrier(SB), NOSPLIT, $0
    dmb ish   // 数据内存屏障:同步所有CPU核心的内存视图
    RET

dmb ish确保当前CPU的内存访问对其他共享同一inner shareable domain的核可见,对应Go sync/atomicLoadAcquire/StoreRelease的汇编展开。

Go屏障与硬件映射关系

Go原子操作 ARM64指令 同步域 语义作用
atomic.LoadAcquire ldar + dmb ishld Inner Shareable 阻止后续读写重排到该load前
atomic.StoreRelease stlr + dmb ishst Inner Shareable 阻止前置读写重排到该store后

一致性校验路径

func verifyOrder() {
    var a, b int32
    go func() { a = 1; atomic.StoreRelease(&b, 1) }() // store-release保证a=1对b=1可见
    go func() { 
        if atomic.LoadAcquire(&b) == 1 { // acquire读确保看到a=1
            _ = a // 不会观察到a==0
        }
    }()
}

atomic.LoadAcquire触发ldar指令,配合dmb ishld禁止load-b之后的访存越过load-b;atomic.StoreRelease通过stlr+dmb ishst确保store-a完成后再提交store-b。两指令协同满足SC-DRF(Sequential Consistency for Data Race Free)要求。

2.5 国产CPU向量扩展(如LSX/ASIMD)在Go标准库中的启用路径与性能实测

Go 1.21+ 已原生支持龙芯LSX与申威ASIMD指令集,通过GOARCH=loong64GOARCH=sw64自动启用向量化优化。

启用条件

  • 内核需开启对应CPU扩展(cat /proc/cpuinfo | grep lsx
  • 编译时指定GOAMD64=v4类标志(对LoongArch等效为GOLONG64=lsx
  • 标准库中crypto/aesencoding/binary等包已内建LSX路径

性能对比(AES-CTR 1MB数据,单位:ns/op)

实现路径 LoongArch3A5000 提升幅度
纯Go(无向量) 12840
LSX加速 3120 4.1×
// src/crypto/aes/block.go 中 LSX 分支示意
func encryptLSX(dst, src []byte, key *aesCipher) {
    // 调用 internal/abi/lsx.a 中汇编实现的 AES-NI 类接口
    // 参数:src/dst为16字节对齐切片,key为256位展开密钥
    // 注意:仅当 runtime.supportsLSX() == true 时触发
}

该函数在运行时通过runtime.getgoarch()动态分发,避免硬编码CPU探测。LSX寄存器组(128×128bit)被映射为$f0–$f127,与ARM ASIMD寄存器宽度一致,便于跨架构向量化移植。

graph TD
    A[Go build] --> B{GOARCH=loong64?}
    B -->|Yes| C[链接 internal/abi/lsx.a]
    B -->|No| D[回退纯Go实现]
    C --> E[调用LSX_AES_ENC_128]

第三章:Golang跨架构构建体系与国产化CI/CD工程实践

3.1 基于BuildKit的多平台镜像构建流水线设计与落地

BuildKit 通过 --platform--load 等原生参数,彻底重构了跨架构构建体验。传统 docker build 在多平台场景下依赖 QEMU 模拟与多次构建拼接,而 BuildKit 支持单次声明式构建、并行拉取不同平台基础镜像,并原生缓存各平台中间层。

核心构建指令示例

# 构建阶段显式声明目标平台(需在 Dockerfile 中启用语法)
# syntax=docker/dockerfile:1
FROM --platform=linux/arm64 alpine:3.19 AS builder
RUN apk add --no-cache go && go build -o /app .

FROM --platform=linux/amd64 alpine:3.19
COPY --from=builder --platform=linux/amd64 /app /app
ENTRYPOINT ["/app"]

该写法依赖 BuildKit 的 --platform 传播机制:--from 自动匹配源阶段平台,避免手动 tag 分离。syntax= 指令启用新语法是前提,否则 --platform 在 FROM 中被忽略。

构建命令与参数解析

DOCKER_BUILDKIT=1 docker build \
  --platform linux/amd64,linux/arm64 \
  --load \
  -t myapp:latest .
  • --platform:声明输出镜像支持的目标架构列表(逗号分隔)
  • --load:将多平台镜像直接加载进本地 daemon(需 Docker 23.0+)
  • DOCKER_BUILDKIT=1:强制启用 BuildKit 引擎(默认已启用,但显式声明更可靠)
参数 作用 是否必需
--platform 指定目标架构,驱动多平台分发
--load 合并多平台镜像为 manifest list 并载入本地 ✅(若需 docker run 验证)
--push 直接推送到 registry(替代 --load ❌(可选)

流水线执行逻辑

graph TD
  A[触发 CI] --> B[解析 target platforms]
  B --> C[调用 docker build --platform=... --load]
  C --> D[BuildKit 并行调度各平台构建]
  D --> E[生成 multi-arch manifest list]
  E --> F[推送至镜像仓库或本地加载]

3.2 Go toolchain国产CPU交叉编译链深度定制(含CGO_ENABLED=0与动态链接双模式)

国产CPU(如鲲鹏、飞腾、海光、龙芯)生态中,Go原生toolchain需针对性适配指令集、ABI及系统库路径。核心在于构建可复用的交叉编译环境,并支持零依赖静态二进制与系统级动态链接两种发布形态。

双模式编译策略

  • CGO_ENABLED=0:生成纯静态二进制,规避glibc兼容性问题,适用于容器或无完整用户态环境
  • CGO_ENABLED=1:启用cgo,链接系统libgcc/libc,需同步部署匹配的国产平台动态库

典型构建命令

# 静态模式(龙芯MIPS64EL)
GOOS=linux GOARCH=mips64le GOMIPS=softfloat CGO_ENABLED=0 go build -o app-static .

# 动态模式(鲲鹏ARM64,链接系统glibc)
CC=/opt/huawei/gcc-arm64/bin/aarch64-linux-gnu-gcc \
CGO_ENABLED=1 \
GOOS=linux GOARCH=arm64 \
go build -ldflags="-linkmode external -extldflags '-static-libgcc'" -o app-dynamic .

GOMIPS=softfloat 显式指定软浮点ABI,避免硬浮点指令在旧内核崩溃;-extldflags '-static-libgcc' 保证libgcc符号不依赖目标机版本,提升跨发行版兼容性。

国产平台交叉工具链关键参数对照

CPU架构 GOARCH 推荐CC工具链 系统库路径示例
龙芯3A5000 mips64le loongnghcc-12 (LoongArch兼容) /opt/loongnghcc/sysroot/usr/lib
鲲鹏920 arm64 aarch64-linux-gnu-gcc (华为开源版) /usr/aarch64-linux-gnu/lib
graph TD
    A[源码] --> B{CGO_ENABLED}
    B -->|0| C[go compile → 静态链接runtime.a]
    B -->|1| D[CC调用 → 动态链接libc/libgcc]
    C --> E[单文件,免依赖]
    D --> F[体积小,依赖系统库]

3.3 国产OS(统信UOS、麒麟Kylin、中科方德)环境下的Go模块依赖可信验证机制

国产操作系统普遍采用国密算法增强供应链安全,Go模块验证需适配SM2/SM3及符合《GB/T 39786-2021》的签名策略。

模块签名与验签流程

# 使用国密工具链对go.sum生成SM3哈希并用SM2私钥签名
sm2sign -k uos_sign.key -i go.sum -o go.sum.sig

该命令调用OpenSSL国密扩展,-k指定SM2私钥(PEM格式,含国密OID),-i为模块校验和文件,-o输出DER编码签名。验签时需加载国密根证书链至系统信任库(如 /usr/share/ca-certificates/uos-root-ca.crt)。

三方验证工具支持对比

OS平台 内置验证器 支持go mod verify SM3哈希兼容
统信UOS V20 yes ✅(patched)
麒麟V10 SP1 no ❌(需goproxy-uos) ⚠️(需libsm3.so)
中科方德 no

依赖验证流程图

graph TD
    A[go build] --> B{GOINSECURE?}
    B -- 否 --> C[读取go.sum]
    C --> D[调用libgmssl验证SM3哈希]
    D --> E[比对SM2签名与UOS CA证书链]
    E --> F[通过则加载模块]

第四章:典型国产化场景性能基准测试与调优指南

4.1 Web服务(Gin/Echo)在申威/龙芯平台的QPS与GC停顿对比实验

为量化国产CPU平台上的Web框架性能差异,在申威SW64(2.0GHz,32核)与龙芯3A5000(2.5GHz,4核)上分别部署相同负载的基准服务。

测试配置要点

  • 使用 wrk -t4 -c128 -d30s 持续压测 /ping 端点
  • Go版本:1.21.6(交叉编译,启用GOOS=linux GOARCH=loong64/sw64
  • GC调优:统一设置 GOGC=100,禁用GODEBUG=gctrace=1

QPS与STW对比(单位:req/s / ms)

平台 Gin QPS Echo QPS Gin avg STW Echo avg STW
申威SW64 18,240 22,690 1.82 0.97
龙芯3A5000 9,410 11,350 3.45 1.68
// 启动Echo服务时显式控制GC行为
func main() {
    e := echo.New()
    e.GET("/ping", func(c echo.Context) error {
        return c.String(http.StatusOK, "pong")
    })
    debug.SetGCPercent(100) // 等效于GOGC=100
    http.ListenAndServe(":8080", e)
}

该配置强制GC触发阈值为上次堆大小的100%,避免突发分配导致STW陡增;debug.SetGCPercent 在进程启动后立即生效,确保全周期受控。

GC停顿归因分析

  • 申威平台缓存一致性协议开销更低,GC标记阶段并行效率提升约37%
  • 龙芯3A5000的TLB miss率高1.8×,加剧了写屏障(write barrier)延迟

4.2 分布式中间件(etcd/consul)在海光服务器上的CPU亲和性与NUMA优化实践

海光服务器采用多NUMA节点架构(如HYGON C86-3000,4 NUMA nodes),默认调度易引发跨节点内存访问,显著拖慢etcd Raft日志同步与consul Serf gossip延迟。

NUMA绑定策略

使用numactl强制进程绑定至本地NUMA域:

# 将etcd绑定至NUMA node 0,内存仅从node 0分配
numactl --cpunodebind=0 --membind=0 \
  --etcd --name infra0 \
  --initial-advertise-peer-urls http://192.168.1.10:2380 \
  --listen-peer-urls http://0.0.0.0:2380

--cpunodebind=0限定CPU资源范围;--membind=0禁用跨节点内存分配,避免30%+延迟抖动。需配合/proc/sys/vm/zone_reclaim_mode=0关闭局部回收干扰。

CPU亲和性配置对比

工具 etcd推荐模式 consul推荐模式
taskset taskset -c 0-3 taskset -c 8-11
cpuset cgroup /sys/fs/cgroup/cpuset/etcd/cpuset.cpus = 0-3 同上,隔离gossip线程

数据同步机制

graph TD
  A[etcd client write] --> B[Leader: apply to FSM]
  B --> C{Local NUMA?}
  C -->|Yes| D[Low-latency WAL fsync]
  C -->|No| E[High-latency cross-NUMA memcpy]

4.3 容器化Go应用(Docker+K8s)在飞腾ARM64集群的资源隔离与cgroup v2适配

飞腾ARM64平台默认启用cgroup v2,而早期Go应用镜像常依赖v1接口,导致memory.max等限制失效。

cgroup v2关键适配点

  • 启用systemd作为容器运行时cgroup驱动(非cgroupfs
  • Go二进制需静态链接(避免/lib64/ld-linux-aarch64.so.1路径差异)
  • Kubernetes kubelet 必须配置 --cgroup-driver=systemd

Docker守护进程配置示例

# /etc/docker/daemon.json
{
  "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"],
  "platform": "linux/arm64"
}

该配置强制Docker使用systemd管理cgroup层级,确保与飞腾内核的v2统一挂载点(/sys/fs/cgroup)对齐,避免/sys/fs/cgroup/memory等v1伪路径冲突。

K8s Pod资源限制生效验证表

参数 cgroup v1路径 cgroup v2路径 飞腾ARM64是否生效
memory.limit /sys/fs/cgroup/memory/... /sys/fs/cgroup/.../memory.max ✅(需v2-aware runtime)
cpu.weight 不支持 /sys/fs/cgroup/.../cpu.weight ✅(v2原生支持)
graph TD
  A[Go应用启动] --> B{cgroup v2挂载?}
  B -->|是| C[读取/sys/fs/cgroup/cgroup.controllers]
  B -->|否| D[降级失败,OOMKilled]
  C --> E[写入cpu.weight & memory.max]
  E --> F[飞腾内核调度生效]

4.4 加密计算密集型任务(crypto/tls、golang.org/x/crypto)在各平台AES-NI/SM4加速效果实测

现代Go运行时自动检测CPU指令集,在crypto/aesgolang.org/x/crypto/sm4中启用硬件加速路径。以下为典型AES-GCM加密基准对比(单位:ns/op):

平台 CPU AES-NI启用 crypto/aes (1KB) x/crypto/sm4 (1KB)
Intel Xeon Gold 28.3 ns 142.6 ns
Apple M2 Ultra 否(ARM NEON) 41.7 ns 98.2 ns
鲲鹏920(SM4优化) SM4指令支持 36.5 ns
// 启用硬件加速的AES-GCM示例(Go 1.22+)
block, _ := aes.NewCipher(key) // 自动路由至AES-NI或ARMv8 crypto ext
aead, _ := cipher.NewGCM(block) // 底层调用runtime·aesgcmEncVX(AVX512)或aesgcmEncARM

逻辑分析:aes.NewCipher通过cpu.X86.HasAES动态分发;参数key长度必须为16/24/32字节以触发硬件路径;cipher.NewGCM会进一步校验block.Size()是否为16,否则回退软件实现。

SM4国密加速差异

鲲鹏平台通过sm4.NewCipher直接映射到sm4EncKunpeng汇编实现,吞吐提升3.9×;x86需依赖x/crypto/sm4的Go汇编重写版本(无原生SM4指令)。

第五章:开源共建倡议与后续版本演进路线图

开源共建的实质性落地机制

2023年Q4,项目核心团队联合CNCF沙箱项目KubeVela、Apache APISIX社区及华为云开源办公室,共同发起「OpenEdge Alliance」共建计划。该计划已上线GitHub组织(openedge-alliance),首批接入6个模块级子仓库,包括edge-ota-manager(OTA差分升级引擎)、mesh-policy-sync(跨集群策略同步器)和rust-runtime-sandbox(轻量级WASM运行时)。所有子仓均启用SIG(Special Interest Group)治理模型,每周三15:00 UTC固定召开跨时区技术对齐会议,会议纪要与决策记录实时同步至Notion公共看板并归档至IPFS。

社区贡献数据与激励体系

截至2024年6月,项目累计收到2,147次有效Pull Request,其中43.6%来自非核心成员;中国、印度、德国、巴西四国贡献者占比达68.2%。社区采用“双轨积分制”:代码提交按复杂度赋分(S/M/L/XL四级,对应1–10分),文档/测试/CI脚本等非代码贡献按工时认证(1小时=2分)。积分可兑换实物奖励(树莓派CM4开发套件、定制化边缘网关主板)或云资源配额(华为云IoT边缘节点服务3个月使用权)。下表为2024上半年TOP10贡献者积分构成:

贡献者ID 代码PR数 文档/测试PR数 总积分 兑换记录
@liwei-iot 29 7 184 2×CM4套件 + 1个月云服务
@dev-santos 12 21 167 1×CM4套件 + 2个月云服务
@masha-k8s 8 34 152 3个月云服务

v2.5版本关键特性交付清单

v2.5(2024年Q3发布)聚焦工业现场低带宽场景,包含三项硬性交付物:

  • 支持断网续传的MQTT QoS 0.5协议扩展(RFC草案已提交IETF IoT-WG)
  • 基于eBPF的容器网络流量整形模块,实测在2Mbps链路下CPU占用下降37%
  • OPC UA PubSub over UDP二进制编码支持,较JSON序列化减少72%报文体积
# v2.5新增CLI命令示例:边缘设备带宽模拟测试
openedge-cli bench --network-profile=industrial-4g --duration=300s \
  --workload=opc-ua-pubsub --payload-size=128KB

技术债偿还专项计划

针对v2.0遗留的Go runtime内存泄漏问题(Issue #1882),成立由3名Go专家+2名eBPF工程师组成的攻坚小组。采用pprof+ebpf trace双链路追踪,定位到pkg/agent/runtime/containerd.go中未释放的io.PipeReader引用。修复方案已合入main分支,并通过200台边缘设备72小时压力验证(平均内存波动

长期演进技术路线图

graph LR
    A[v2.5 工业协议增强] --> B[v2.6 AI推理边缘协同]
    B --> C[v2.7 硬件抽象层HAIL 1.0]
    C --> D[v3.0 安全飞地可信执行环境]
    subgraph 关键里程碑
        B -.->|2024-Q4| E[ONNX Runtime轻量化集成]
        C -.->|2025-Q2| F[ARM/RISC-V双架构统一驱动框架]
        D -.->|2025-Q4| G[SGX/TEE/SEV多后端抽象接口]
    end

专注后端开发日常,从 API 设计到性能调优,样样精通。

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