Go是怎么解决包依赖管理问题的？
我们先来了解一下 Go 构建模式的演化过程，弄清楚 Go 核心开发团队为什么要引入 Go module 构建模式。
Go 构建模式时怎么演化的？
Go 程序由 Go 包组合而成的，Go 程序的构建过程就是确定包版本、编译包以及将编译后得到的目标文件链接在一起的过程。
Go 语言的构建模式历经了三个迭代和演化过程，分别是最初期的 GOPATH、1.5 版本的 Vendor 机制，以及现在的 Go Module。这里我们就先来介绍一下前面这两个。
首先我们来看 GOPATH。
GOPATH
Go 语言在首次开源时，就内置了一种名为 GOPATH 的构建模式。在这种构建模式下，Go 编译器可以在本地 GOPATH 环境变量配置的路径下，搜寻 Go 程序依赖的第三方包。如果存在，就使用这个本地包进行编译；如果不存在，就会报编译错误。
这里给出了一段在 GOPATH 构建模式下编写的代码
package main
import "github.com/sirupsen/logrus"
func main() {
logrus.Println("hello, gopath mode")
}
你可以看到，这段代码依赖了第三方包 logrus（logrus 是 Go 社区使用最为广泛的第三方 log 包）。
接下来，这个构建过程演示了 Go 编译器（这里使用 Go 1.10.8）在 GOPATH 环境变量所配置的目录下（这里为 /Users/tonybai/Go），无法找到程序依赖的 logrus 包而报错的情况：
$ go build main.go
main.go:3:8: cannot find package "github.com/sirupsen/logrus" in any of:
/Users/tonybai/.bin/go1.10.8/src/github.com/sirupsen/logrus (from $GOROOT)
/Users/tonybai/Go/src/github.com/sirupsen/logrus (from $GOPATH)
那么 Go 编译器在 GOPATH 构建模式下，究竟怎么在 GOPATH 配置的路径下搜寻第三方依赖包呢？
为了说清楚搜寻规则，我们先假定 Go 程序导入了 github.com/user/repo 这个包，我们也同时假定当前 GOPATH 环境变量配置的值为：
export GOPATH=/usr/local/goprojects:/home/go
那么在 GOPATH 构建模式下，Go 编译器在编译 Go 程序时，就会在下面两个路径下搜索第三方依赖包是否存在：
/usr/local/goprojects/src/github.com/user/repo
/home/go/src/github.com/user/repo
这里注意一下，如果你没有显式设置 GOPATH 环境变量，Go 会将 GOPATH 设置为默认值，不同操作系统下默认值的路径不同，在 macOS 或 Linux 上，它的默认值是 $HOME/go。
那么，当遇到像上面例子一样，没有在本地找到程序的第三方依赖包的情况，我们该如何解决这个问题呢？
这个时候就要让 go get 登场了！
我们可以通过 go get 命令将本地缺失的第三方依赖包下载到本地，比如：
$ go get github.com/sirupsen/logrus
这里的 go get 命令，不仅能将 logrus 包下载到 GOPATH 环境变量配置的目录下，它还会检查 logrus 的依赖包在本地是否存在，如果不存在，go get 也会一并将它们下载到本地。
不过，go get 下载的包只是那个时刻各个依赖包的最新主线版本，这样会给后续 Go 程序的构建带来一些问题。比如，依赖包持续演进，可能会导致不同开发者在不同时间获取和编译同一个 Go 包时，得到不同的结果，也就是不能保证可重现的构建（Reproduceable Build）。又比如，如果依赖包引入了不兼容代码，程序将无法通过编译。
最后还有一点，如果依赖包因引入新代码而无法正常通过编译，并且该依赖包的作者又没用及时修复这个问题，这种错误也会传导到你的程序，导致你的程序无法通过编译。
也就是说，在 GOPATH 构建模式下，Go 编译器实质上并没有关注 Go 项目所依赖的第三方包的版本。但 Go 开发者希望自己的 Go 项目所依赖的第三方包版本能受到自己的控制，而不是随意变化。于是 Go 核心开发团队引入了 Vendor 机制试图解决上面的问题。
现在我们就来看看 vendor 机制是怎么解决这个问题的。
go vendor
Go 在 1.5 版本中引入 vendor 机制。vendor 机制本质上就是在 Go 项目的某个特定目录下，将项目的所有依赖包缓存起来，这个特定目录名就是 vendor。
Go 编译器会优先感知和使用 vendor 目录下缓存的第三方包版本，而不是 GOPATH 环境变量所配置的路径下的第三方包版本。这样，无论第三方依赖包自己如何变化，无论 GOPATH 环境变量所配置的路径下的第三方包是否存在、版本是什么，都不会影响到 Go 程序的构建。
如果你将 vendor 目录和项目源码一样提交到代码仓库，那么其他开发者下载你的项目后，就可以实现可重现的构建。因此，如果使用 vendor 机制管理第三方依赖包，最佳实践就是将 vendor 一并提交到代码仓库中。
下面这个目录结构就是为上面的代码示例添加 vendor 目录后的结果：
.
├── main.go
└── vendor/
├── github.com/
│ └── sirupsen/
│ └── logrus/
└── golang.org/
└── x/
└── sys/
└── unix/
在添加完 vendor 后，我们重新编译 main.go，这个时候 Go 编译器就会在 vendor 目录下搜索程序依赖的 logrus 包以及后者依赖的 golang.org/x/sys/unix 包了。
这里你还要注意一点，要想开启 vendor 机制，你的 Go 项目必须位于 GOPATH 环境变量配置的某个路径的 src 目录下面。如果不满足这一路径要求，那么 Go 编译器是不会理会 Go 项目目录下的 vendor 目录的。
不过 vendor 机制虽然一定程度解决了 Go 程序可重现构建的问题，但对开发者来说，它的体验却不那么好。一方面，Go 项目必须放在 GOPATH 环境变量配置的路径下，庞大的 vendor 目录需要提交到代码仓库，不仅占用代码仓库空间，减慢仓库下载和更新的速度，而且还会干扰代码评审，对实施代码统计等开发者效能工具也有比较大影响。
另外，你还需要手工管理 vendor 下面的 Go 依赖包，包括项目依赖包的分析、版本的记录、依赖包获取和存放，等等，最让开发者头疼的就是这一点。
为了解决这个问题，Go 核心团队与社区将 Go 构建的重点转移到如何解决包依赖管理上。Go 社区先后开发了诸如 gb、glide、dep 等工具，来帮助 Go 开发者对 vendor 下的第三方包进行自动依赖分析和管理，但这些工具也都有自身的问题。
就在 Go 社区为包依赖管理焦虑并抱怨没有官方工具的时候，Go 核心团队基于社区实践的经验和教训，推出了 Go 官方的解决方案：Go Module。
Go Module
从 Go 1.11 版本开始，除了 GOPATH 构建模式外，Go 又增加了一种 Go Module 构建模式。
一个 Go Module 是一个 Go 包的集合。module 是有版本的，所以 module 下的包也就有了版本属性。这个 module 与这些包会组成一个独立的版本单元，它们一起打版本、发布和分发。
在 Go Module 模式下，通常一个代码仓库对应一个 Go Module。一个 Go Module 的顶层目录下会放置一个 go.mod 文件，每个 go.mod 文件会定义唯一一个 module，也就是说 Go Module 与 go.mod 是一一对应的。
go.mod 文件所在的顶层目录也被称为 module 的根目录，module 根目录以及它子目录下的所有 Go 包均归属于这个 Go Module，这个 module 也被称为 main module。
你可能也意识到了，Go Module 的原理和使用方法其实有点复杂，但“千里之行始于足下”，下面我们先从如何创建一个 Go Module 说起。
创建一个 Go Module
将基于当前项目创建一个 Go Module，通常有如下几个步骤：
第一步，通过 go mod init 创建 go.mod 文件，将当前项目变为一个 Go Module；
第二步，通过 go mod tidy 命令自动更新当前 module 的依赖信息；
第三步，执行 go build，执行新 module 的构建。
我们一步一步来详细看一下。
我们先建立一个新项目 module-mode 用来演示 Go Module 的创建，注意我们可以在任意路径下创建这个项目，不必非要在 GOPATH 环境变量的配置路径下。
这个项目的 main.go 修改自上面的例子，修改后的 main.go 的代码是这样的，我们依旧依赖外部包 logrus：
package main
import "github.com/sirupsen/logrus"
func main() {
logrus.Println("hello, go module mode")
}
你可以看到，这个项目目录下只有 main.go 一个源文件，现在我们就来为这个项目添加 Go Module 支持。我们通过 go mod init 命令为这个项目创建一个 Go Module（这里我们使用的是 Go 版本为 1.16.5，Go 1.16 版本默认采用 Go Module 构建模式）：
$go mod init github.com/bigwhite/module-mode
go: creating new go.mod: module github.com/bigwhite/module-mode
go: to add module requirements and sums:
go mod tidy
现在，go mod init 在当前项目目录下创建了一个 go.mod 文件，这个 go.mod 文件将当前项目变为了一个 Go Module，项目根目录变成了 module 根目录。go.mod 的内容是这样的：
module github.com/bigwhite/module-mode
go 1.16
这个 go.mod 文件现在处于初始状态，它的第一行内容用于声明 module 路径 (module path)，最后一行是一个 Go 版本指示符，用于表示这个 module 是在某个特定的 Go 版本的 module 语义的基础上编写的。
go mod init 命令还输出了两行日志，提示我们可以使用 go mod tidy 命令，添加 module 依赖以及校验和。go mod tidy 命令会扫描 Go 源码，并自动找出项目依赖的外部 Go Module 以及版本，下载这些依赖并更新本地的 go.mod 文件。我们按照这个提示执行一下 go mod tidy 命令：
$ go mod tidy
go: finding module for package github.com/sirupsen/logrus
go: downloading github.com/sirupsen/logrus v1.8.1
go: found github.com/sirupsen/logrus in github.com/sirupsen/logrus v1.8.1
go: downloading golang.org/x/sys v0.0.0-20191026070338-33540a1f6037
go: downloading github.com/stretchr/testify v1.2.2
我们看到，对于一个处于初始状态的 module 而言，go mod tidy 分析了当前 main module 的所有源文件，找出了当前 main module 的所有第三方依赖，确定第三方依赖的版本，还下载了当前 main module 的直接依赖包（比如 logrus），以及相关间接依赖包（直接依赖包的依赖，比如上面的 golang.org/x/sys 等）。
Go Module 还支持通过 Go Module 代理服务加速第三方依赖的下载。 GOPROXY 环境变量，这个环境变量的默认值为“https: // proxy.golang.org,direct”，不过我们可以配置更适合于中国大陆地区的 Go Module 代理服务。
由 go mod tidy 下载的依赖 module 会被放置在本地的 module 缓存路径下，默认值为 $GOPATH[0]/pkg/mod，Go 1.15 及以后版本可以通过 GOMODCACHE 环境变量，自定义本地 module 的缓存路径。
执行 go mod tidy 后，我们示例 go.mod 的内容更新如下：
module github.com/bigwhite/module-mode
go 1.16
require github.com/sirupsen/logrus v1.8.1
你可以看到，当前 module 的直接依赖 logrus，还有它的版本信息都被写到了 go.mod 文件的 require 段中。
而且，执行完 go mod tidy 后，当前项目除了 go.mod 文件外，还多了一个新文件 go.sum，内容是这样的：
github.com/davecgh/go-spew v1.1.1 h1:vj9j/u1bqnvCEfJOwUhtlOARqs3+rkHYY13jYWTU97c=
github.com/davecgh/go-spew v1.1.1/go.mod h1:J7Y8YcW2NihsgmVo/mv3lAwl/skON4iLHjSsI+c5H38=
github.com/pmezard/go-difflib v1.0.0 h1:4DBwDE0NGyQoBHbLQYPwSUPoCMWR5BEzIk/f1lZbAQM=
github.com/pmezard/go-difflib v1.0.0/go.mod h1:iKH77koFhYxTK1pcRnkKkqfTogsbg7gZNVY4sRDYZ/4=
github.com/sirupsen/logrus v1.8.1 h1:dJKuHgqk1NNQlqoA6BTlM1Wf9DOH3NBjQyu0h9+AZZE=
github.com/sirupsen/logrus v1.8.1/go.mod h1:yWOB1SBYBC5VeMP7gHvWumXLIWorT60ONWic61uBYv0=
github.com/stretchr/testify v1.2.2 h1:bSDNvY7ZPG5RlJ8otE/7V6gMiyenm9RtJ7IUVIAoJ1w=
github.com/stretchr/testify v1.2.2/go.mod h1:a8OnRcib4nhh0OaRAV+Yts87kKdq0PP7pXfy6kDkUVs=
golang.org/x/sys v0.0.0-20191026070338-33540a1f6037 h1:YyJpGZS1sBuBCzLAR1VEpK193GlqGZbnPFnPV/5Rsb4=
golang.org/x/sys v0.0.0-20191026070338-33540a1f6037/go.mod h1:h1NjWce9XRLGQEsW7wpKNCjG9DtNlClVuFLEZdDNbEs=
这同样是由 go mod 相关命令维护的一个文件，它存放了特定版本 module 内容的哈希值。
这是 Go Module 的一个安全措施。当将来这里的某个 module 的特定版本被再次下载的时候，go 命令会使用 go.sum 文件中对应的哈希值，和新下载的内容的哈希值进行比对，只有哈希值比对一致才是合法的，这样可以确保你的项目所依赖的 module 内容，不会被恶意或意外篡改。因此，推荐你把 go.mod 和 go.sum 两个文件与源码，一并提交到代码版本控制服务器上。
现在，go mod init 和 go mod tidy 已经为我们当前 Go Module 的构建铺平了道路，接下来，我们只需在当前 module 的根路径下，执行 go build 就可以完成 module 的构建了！
go build 命令会读取 go.mod 中的依赖及版本信息，并在本地 module 缓存路径下找到对应版本的依赖 module，执行编译和链接。如果顺利的话，我们会在当前目录下看到一个新生成的可执行文件 module-mode，执行这个文件我们就能得到正确结果了。
整个过程的执行步骤是这样的：
$ go build
$ls
go.mod go.sum main.go module-mode*
$./module-mode
INFO[0000] hello, go module mode
那么，在看到我们的 Go Module 机制会自动分析项目的依赖包，并选出最适合的版本后，不知道你会不会有这样的疑惑：项目所依赖的包有很多版本，Go Module 是如何选出最适合的那个版本的呢？要想回答这个问题，我们就需要深入到 Go Module 构建模式的工作原理中去。
深入 Go Module 构建模式
Go 语言设计者在设计 Go Module 构建模式，来解决“包依赖管理”的问题时，进行了几项创新，这其中就包括语义导入版本 (Semantic Import Versioning)，以及和其他主流语言不同的最小版本选择 (Minimal Version Selection) 等机制。只要你深入理解了这些机制，你就能真正掌握 Go Module 构建模式。
首先我们看一下 Go Module 的语义导入版本机制。
在上面的例子中，我们看到 go.mod 的 require 段中依赖的版本号，都符合 vX.Y.Z 的格式。在 Go Module 构建模式下，一个符合 Go Module 要求的版本号，由前缀 v 和一个满足语义版本规范的版本号组成。
你可以看看下面这张图，语义版本号分成 3 部分：主版本号 (major)、次版本号 (minor) 和补丁版本号 (patch)。例如上面的 logrus module 的版本号是 v1.8.1，这就表示它的主版本号为 1，次版本号为 8，补丁版本号为 1。
Go 命令和 go.mod 文件都使用上面这种符合语义版本规范的版本号，作为描述 Go Module 版本的标准形式。借助于语义版本规范，Go 命令可以确定同一 module 的两个版本发布的先后次序，而且可以确定它们是否兼容。
按照语义版本规范，主版本号不同的两个版本是相互不兼容的。而且，在主版本号相同的情况下，次版本号大都是向后兼容次版本号小的版本。补丁版本号也不影响兼容性。
而且，Go Module 规定：如果同一个包的新旧版本是兼容的，那么它们的包导入路径应该是相同的。怎么理解呢？我们来举个简单示例。我们就以 logrus 为例，它有很多发布版本，我们从中选出两个版本 v1.7.0 和 v1.8.1.。按照上面的语义版本规则，这两个版本的主版本号相同，新版本 v1.8.1 是兼容老版本 v1.7.0 的。那么，我们就可以知道，如果一个项目依赖 logrus，无论它使用的是 v1.7.0 版本还是 v1.8.1 版本，它都可以使用下面的包导入语句导入 logrus 包：
import "github.com/sirupsen/logrus"
那么问题又来了，假如在未来的某一天，logrus 的作者发布了 logrus v2.0.0 版本。那么根据语义版本规则，该版本的主版本号为 2，已经与 v1.7.0、v1.8.1 的主版本号不同了，那么 v2.0.0 与 v1.7.0、v1.8.1 就是不兼容的包版本。然后我们再按照 Go Module 的规定，如果一个项目依赖 logrus v2.0.0 版本，那么它的包导入路径就不能再与上面的导入方式相同了。那我们应该使用什么方式导入 logrus v2.0.0 版本呢？
Go Module 创新性地给出了一个方法：将包主版本号引入到包导入路径中，我们可以像下面这样导入 logrus v2.0.0 版本依赖包：
import "github.com/sirupsen/logrus/v2"
这就是 Go 的“语义导入版本”机制，也就是说通过在包导入路径中引入主版本号的方式，来区别同一个包的不兼容版本，这样一来我们甚至可以同时依赖一个包的两个不兼容版本：
import (
"github.com/sirupsen/logrus"
logv2 "github.com/sirupsen/logrus/v2"
)
不过到这里，你可能会问，v0.y.z 版本应该使用哪种导入路径呢？
按照语义版本规范的说法，v0.y.z 这样的版本号是用于项目初始开发阶段的版本号。在这个阶段任何事情都有可能发生，其 API 也不应该被认为是稳定的。Go Module 将这样的版本 (v0) 与主版本号 v1 做同等对待，也就是采用不带主版本号的包导入路径，这样一定程度降低了 Go 开发人员使用这样版本号包时的心智负担。
接下来，我们再来看一下 Go Module 的最小版本选择原则。
在前面的例子中，Go 命令都是在项目初始状态分析项目的依赖，并且项目中两个依赖包之间没有共同的依赖，这样的包依赖关系解决起来还是比较容易的。但依赖关系一旦复杂起来，比如像下图中展示的这样，Go 又是如何确定使用依赖包 C 的哪个版本的呢？
在这张图中，myproject 有两个直接依赖 A 和 B，A 和 B 有一个共同的依赖包 C，但 A 依赖 C 的 v1.1.0 版本，而 B 依赖的是 C 的 v1.3.0 版本，并且此时 C 包的最新发布版为 C v1.7.0。这个时候，Go 命令是如何为 myproject 选出间接依赖包 C 的版本呢？选出的究竟是 v1.7.0、v1.1.0 还是 v1.3.0 呢？你可以暂停一两分钟思考一下。
其实，当前存在的主流编程语言，以及 Go Module 出现之前的很多 Go 包依赖管理工具都会选择依赖项的“最新最大 (Latest Greatest) 版本”，对应到图中的例子，这个版本就是 v1.7.0。
当然了，理想状态下，如果语义版本控制被正确应用，并且这种“社会契约”也得到了很好的遵守，那么这种选择算法是有道理的，而且也可以正常工作。在这样的情况下，依赖项的“最新最大版本”应该是最稳定和安全的版本，并且应该有向后兼容性。至少在相同的主版本 (Major Verion) 依赖树中是这样的。
但我们这个问题的答案并不是这样的。Go 设计者另辟蹊径，在诸多兼容性版本间，他们不光要考虑最新最大的稳定与安全，还要尊重各个 module 的述求：A 明明说只要求 C v1.1.0，B 明明说只要求 C v1.3.0。所以 Go 会在该项目依赖项的所有版本中，选出符合项目整体要求的“最小版本”。
这个例子中，C v1.3.0 是符合项目整体要求的版本集合中的版本最小的那个，于是 Go 命令选择了 C v1.3.0，而不是最新最大的 C v1.7.0。并且，Go 团队认为“最小版本选择”为 Go 程序实现持久的和可重现的构建提供了最佳的方案。
了解了语义导入版本与最小版本选择两种机制后，你就可以说你已经掌握了 Go Module 的精髓。
但很多 Go 开发人员的起点，并非是默认开启 Go Module 构建模式的 Go 1.16 版本，多数 Go 开发人使用的环境中都存在着多套 Go 版本，有用于体验最新功能特性的 Go 版本，也有某些遗留项目所使用的老版本 Go 编译器。
它们工作时采用的构建模式是不一样的，并且即便是引入 Go Module 的 Go 1.11 版本，它的 Go Module 机制，和后续进化后的 Go 版本的 Go Module 构建机制在表现行为上也有所不同。因此 Go 开发人员可能需要经常在各个 Go 版本间切换。而明确具体版本下 Go Module 的实际表现行为对 Go 开发人员是十分必要的。
Go 各版本构建模式机制和切换
我们前面说了，在 Go 1.11 版本中，Go 开发团队引入 Go Modules 构建模式。这个时候，GOPATH 构建模式与 Go Modules 构建模式各自独立工作，我们可以通过设置环境变量 GO111MODULE 的值在两种构建模式间切换。
然后，随着 Go 语言的逐步演进，从 Go 1.11 到 Go 1.16 版本，不同的 Go 版本在 GO111MODULE 为不同值的情况下，开启的构建模式几经变化，直到 Go 1.16 版本，Go Module 构建模式成为了默认模式。
所以，要分析 Go 各版本的具体构建模式的机制和切换，我们只需要找到这几个代表性的版本就好了。
我这里将 Go 1.13 版本之前、Go 1.13 版本以及 Go 1.16 版本，在 GO111MODULE 为不同值的情况下的行为做了一下对比，这样我们可以更好地理解不同版本下、不同构建模式下的行为特性，下面我们就来用表格形式做一下比对：
了解了这些，你就能在工作中游刃有余的在各个 Go 版本间切换了，不用再担心切换后模式变化，导致构建失败了。
总结
Go 语言最初发布时内置的构建模式为 GOPATH 构建模式。在这种构建模式下，所有构建都离不开 GOPATH 环境变量。在这个模式下，Go 编译器并没有关注依赖包的版本，开发者也无法控制第三方依赖的版本，导致开发者无法实现可重现的构建。
那么，为了支持可重现构建，Go 1.5 版本引入了 vendor 机制，开发者可以在项目目录下缓存项目的所有依赖，实现可重现构建。但 vendor 机制依旧不够完善，开发者还需要手工管理 vendor 下的依赖包，这就给开发者带来了不小的心智负担。
后来，Go 1.11 版本中，Go 核心团队推出了新一代构建模式：Go Module 以及一系列创新机制，包括语义导入版本机制、最小版本选择机制等。语义导入版本机制是 Go Moudle 其他机制的基础，它是通过在包导入路径中引入主版本号的方式，来区别同一个包的不兼容版本。而且，Go 命令使用最小版本选择机制进行包依赖版本选择，这和当前主流编程语言，以及 Go 社区之前的包依赖管理工具使用的算法都有点不同。
此外，Go 命令还可以通过 GO111MODULE 环境变量进行 Go 构建模式的切换。但你要注意，从 Go 1.11 到 Go 1.16，不同的 Go 版本在 GO111MODULE 为不同值的情况下，开启的构建模式以及具体表现行为也几经变化，这里你重点看一下前面总结的表格。
现在，Go 核心团队已经考虑在后续版本中彻底移除 GOPATH 构建模式，Go Module 构建模式将成为 Go 语言唯一的标准构建模式。
