高级11-Java日志管理：使用Log4j与SLF4J

在现代Java应用开发中，日志（Logging）是系统监控、调试、故障排查和性能分析的核心工具。一个高效、灵活、可配置的日志系统，不仅能帮助开发者快速定位问题，还能为运维团队提供宝贵的运行时信息。在Java生态系统中，Log4j 和 SLF4J 是两个最广泛使用的日志框架，它们各具特色，常被结合使用以实现最佳实践。

本文将深入探讨Java日志管理的核心概念，详细介绍 Log4j 2.x 和 SLF4J 的使用方法、配置技巧、性能优化以及最佳实践。通过大量代码示例，我们将从零开始构建一个功能完备的日志系统，涵盖控制台输出、文件记录、异步日志、日志级别、格式化、滚动策略等关键主题。

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一、日志系统的重要性

在没有日志的系统中，当程序出现异常或性能问题时，开发者往往只能“盲人摸象”，依靠猜测和重现来定位问题。日志系统则提供了以下关键价值：

1. 调试与排错：记录程序执行流程、变量状态、异常堆栈，帮助快速定位Bug。
2. 监控与告警：通过分析日志中的错误、警告信息，实现系统健康监控。
3. 审计与合规：记录用户操作、系统事件，满足安全审计要求。
4. 性能分析：记录方法执行时间、数据库查询耗时，辅助性能优化。
5. 运行时洞察：了解系统在生产环境中的实际行为，指导架构演进。

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二、Java日志框架发展简史

Java的日志生态经历了多个阶段的演进：

1. JDK 1.4 之前：无标准日志机制，开发者使用 System.out.println()。
2. JDK 1.4 (2002)：引入 java.util.logging（JUL），但功能有限，配置复杂。
3. Log4j (2001)：由Ceki Gülcü开发，功能强大，迅速成为事实标准。
4. Commons Logging (JCL)：Apache提供的日志门面，用于桥接不同日志实现。
5. SLF4J (Simple Logging Facade for Java)：由Ceki Gülcü开发，作为更优雅的日志门面。
6. Logback：SLF4J的原生实现，性能优于Log4j。
7. Log4j 2.x：Apache重启Log4j项目，解决1.x的性能和架构问题，支持插件化、异步日志等。

目前，SLF4J + Log4j 2.x 或 SLF4J + Logback 是最主流的组合。

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三、SLF4J：日志门面（Facade）

SLF4J（Simple Logging Facade for Java） 不是一个日志实现，而是一个日志门面。它为各种日志框架（如Log4j、Logback、JUL）提供了一个统一的API，使应用程序与具体的日志实现解耦。

3.1 为什么需要日志门面？

假设你的项目直接依赖Log4j，代码中使用 org.apache.log4j.Logger。如果未来想切换到Logback，你必须修改所有日志调用代码，工作量巨大且容易出错。

而使用SLF4J，你的代码只依赖 org.slf4j.Logger，通过更换**绑定库（Binding）**即可切换底层实现，无需修改业务代码。

3.2 SLF4J 核心组件

• org.slf4j.Logger：日志记录接口，定义 debug(), info(), warn(), error() 等方法。
• org.slf4j.LoggerFactory：工厂类，用于获取 Logger 实例。
• 绑定库（Binding）：将SLF4J API桥接到具体日志实现，如 slf4j-log4j12, log4j-slf4j-impl, logback-classic。

3.3 SLF4J 基本使用示例

1. 添加Maven依赖

<!-- SLF4J API -->
<dependency>
    <groupId>org.slf4j</groupId>
    <artifactId>slf4j-api</artifactId>
    <version>1.7.36</version>
</dependency>

<!-- Log4j 2.x 绑定 -->
<dependency>
    <groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
    <artifactId>log4j-slf4j-impl</artifactId>
    <version>2.19.0</version>
</dependency>

注意：确保项目中只有一个SLF4J绑定，否则会报错。

2. 编写日志代码

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

public class UserService {
    // 获取Logger实例，通常以类名命名
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(UserService.class);

    public void createUser(String username) {
        logger.debug("Creating user: {}", username); // 使用占位符，避免字符串拼接

        try {
            // 模拟业务逻辑
            if (username == null || username.trim().isEmpty()) {
                throw new IllegalArgumentException("Username cannot be null or empty");
            }
            logger.info("User '{}' created successfully", username);
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Failed to create user: {}", username, e); // 记录异常堆栈
            throw e;
        }
    }
}

3. 测试

public class LoggingDemo {
    public static void main(String[] args) {
        UserService userService = new UserService();
        userService.createUser("alice");
        userService.createUser(""); // 触发异常
    }
}

输出：

14:23:45.123 [main] DEBUG com.example.UserService - Creating user: alice
14:23:45.124 [main] INFO  com.example.UserService - User 'alice' created successfully
14:23:45.125 [main] DEBUG com.example.UserService - Creating user: 
14:23:45.125 [main] ERROR com.example.UserService - Failed to create user: 
java.lang.IllegalArgumentException: Username cannot be null or empty
    at com.example.UserService.createUser(UserService.java:12)
    ...

3.4 SLF4J 占位符（Placeholders）

SLF4J支持 {} 占位符，这是最佳实践，因为：

• 避免不必要的字符串拼接（当日志级别为INFO时，DEBUG日志不会输出，但字符串拼接仍会执行）。
• 支持自动转换对象为字符串。
• 支持多参数。

logger.debug("User {} logged in from IP {}", username, ip);
logger.error("Database connection failed", exception); // 异常作为最后一个参数

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四、Log4j 2.x：高性能日志实现

Log4j 2.x 是Apache Log4j的下一代版本，解决了1.x的性能瓶颈和架构缺陷，提供了：

• 极高的性能（异步日志性能提升10倍以上）
• 插件化架构
• 自动重新加载配置
• 高级过滤功能
• 多种Appender（输出目的地）
• Lambda表达式支持

4.1 Log4j 2.x 核心组件

Log4j 2.x 的核心是 Logger, Appender, Layout, Level 四大组件。

1. Logger（记录器）

• 负责生成日志事件。
• 具有名称（通常为类的全限定名）和日志级别。
• 支持层级继承（如 com.example.service.UserService 继承 com.example.service 的配置）。

2. Appender（输出器）

• 决定日志输出到哪里。
• 常见Appender：
  • ConsoleAppender：输出到控制台
  • FileAppender / RollingFileAppender：输出到文件，支持滚动
  • SocketAppender：通过网络发送
  • JDBCAppender：写入数据库
  • KafkaAppender：发送到Kafka

3. Layout（布局）

• 定义日志的输出格式。
• 常用Layout：
  • PatternLayout：自定义格式
  • JsonLayout：JSON格式
  • XmlLayout：XML格式

4. Level（日志级别）

• 定义日志的严重程度。
• 优先级从高到低：
  • OFF (最高，关闭所有日志)
  • FATAL
  • ERROR
  • WARN
  • INFO
  • DEBUG
  • TRACE
  • ALL (最低，记录所有日志)

注意：Logger的级别决定了它能接收哪些级别的日志。例如，级别为INFO的Logger会接收INFO、WARN、ERROR、FATAL日志，但忽略DEBUG和TRACE。

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五、Log4j 2.x 配置详解

Log4j 2.x 支持多种配置方式：XML、JSON、YAML、Properties、Java代码。我们以最常用的 XML 为例。

5.1 基本XML配置文件（log4j2.xml）

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<Configuration status="WARN" monitorInterval="30">
    <!-- 定义公共属性 -->
    <Properties>
        <Property name="LOG_PATH">logs</Property>
        <Property name="FILE_NAME">app</Property>
    </Properties>

    <Appenders>
        <!-- 控制台Appender -->
        <Console name="ConsoleAppender" target="SYSTEM_OUT">
            <PatternLayout pattern="%d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS} [%t] %-5level %logger{36} - %msg%n"/>
        </Console>

        <!-- 文件Appender（滚动策略） -->
        <RollingFile name="RollingFileAppender"
                     fileName="${LOG_PATH}/${FILE_NAME}.log"
                     filePattern="${LOG_PATH}/${FILE_NAME}-%d{yyyy-MM-dd}-%i.log.gz">
            <PatternLayout>
                <pattern>%d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS} [%t] %-5level %logger{36} - %msg%n</pattern>
            </PatternLayout>
            <!-- 滚动策略：基于时间和大小 -->
            <Policies>
                <!-- 每天滚动一次 -->
                <TimeBasedTriggeringPolicy interval="1" modulate="true"/>
                <!-- 文件大小超过100MB时滚动 -->
                <SizeBasedTriggeringPolicy size="100MB"/>
            </Policies>
            <!-- 策略：保留最多30天的日志 -->
            <DefaultRolloverStrategy max="30"/>
        </RollingFile>
    </Appenders>

    <Loggers>
        <!-- 根Logger -->
        <Root level="info">
            <AppenderRef ref="ConsoleAppender"/>
            <AppenderRef ref="RollingFileAppender"/>
        </Root>

        <!-- 特定包的Logger（可选） -->
        <Logger name="com.example.service" level="debug" additivity="false">
            <AppenderRef ref="RollingFileAppender"/>
        </Logger>
    </Loggers>
</Configuration>

5.2 配置项详解

• status="WARN"：Log4j内部日志级别，用于诊断配置错误。
• monitorInterval="30"：每隔30秒检查配置文件是否修改，自动重新加载。
• <Properties>：定义变量，便于复用。
• <Console>：输出到控制台。
• <RollingFile>：
  • fileName：当前日志文件路径。
  • filePattern：归档文件命名模式，%d{yyyy-MM-dd}按天，%i为序号，.gz表示压缩。
• <Policies>：触发滚动的策略。
  • TimeBasedTriggeringPolicy：按时间滚动。
  • SizeBasedTriggeringPolicy：按大小滚动。
• <DefaultRolloverStrategy>：滚动后的保留策略，max="30"表示最多保留30个归档文件。
• <Root>：根Logger，所有Logger的默认父级。
• <Logger>：自定义Logger，可覆盖特定包的日志级别和Appender。
  • additivity="false"：关闭累加性，避免日志被父Logger重复输出。

5.3 高级Appender配置

1. 异步日志（AsyncAppender）

异步日志能显著提升性能，尤其在高并发场景。

<Async name="AsyncAppender">
    <AppenderRef ref="RollingFileAppender"/>
</Async>

<Loggers>
    <Root level="info">
        <AppenderRef ref="ConsoleAppender"/>
        <AppenderRef ref="AsyncAppender"/> <!-- 使用异步Appender -->
    </Root>
</Loggers>

注意：Log4j 2.x 还支持 LMAX Disruptor 实现的异步Logger，性能更高。

2. JSON格式日志

便于日志收集系统（如ELK）解析。

<RollingFile name="JsonFileAppender" ...>
    <JsonLayout compact="true" eventEol="true"/>
    <Policies>...</Policies>
</RollingFile>

输出示例：

{"timeMillis":1719843825123,"thread":"main","level":"INFO","loggerName":"com.example.UserService","message":"User 'alice' created successfully","endOfBatch":false,"loggerFqcn":"org.apache.logging.slf4j.Log4jLogger","threadId":1,"threadPriority":5}

3. 过滤器（Filters）

根据条件决定是否记录日志。

<RollingFile name="FilteredFileAppender" ...>
    <PatternLayout pattern="%d %p %c{1.} [%t] %m%n"/>
    <ThresholdFilter level="WARN" onMatch="DENY" onMismatch="NEUTRAL"/>
    <Policies>...</Policies>
</RollingFile>

• ThresholdFilter：级别过滤器，WARN及以上级别被拒绝（DENY），低于则中立（NEUTRAL）。
• onMatch：匹配时的动作（ACCEPT, DENY, NEUTRAL）。
• onMismatch：不匹配时的动作。

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六、SLF4J与Log4j 2.x集成实战

我们已经通过Maven依赖将SLF4J与Log4j 2.x集成。现在通过一个完整示例演示其工作流程。

6.1 项目结构

src/
├── main/
│   ├── java/
│   │   └── com/example/
│   │       ├── UserService.java
│   │       └── LoggingDemo.java
│   └── resources/
│       ├── log4j2.xml
│       └── application.properties

6.2 日志配置优化

增强 log4j2.xml 功能：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<Configuration status="WARN" monitorInterval="30">
    <Properties>
        <Property name="LOG_PATH">./logs</Property>
        <Property name="APP_NAME">myapp</Property>
        <Property name="MAX_FILE_SIZE">100MB</Property>
        <Property name="MAX_FILES">10</Property>
    </Properties>

    <Appenders>
        <!-- 彩色控制台输出 -->
        <Console name="Console" target="SYSTEM_OUT">
            <PatternLayout pattern="%highlight{%d{ISO8601} [%t] %-5level %logger{36} - %msg%n}{FATAL=red blink, ERROR=red, WARN=yellow bold, INFO=green, DEBUG=cyan, TRACE=blue}"/>
        </Console>

        <!-- 按天滚动的主日志文件 -->
        <RollingFile name="RollingFile"
                     fileName="${LOG_PATH}/${APP_NAME}.log"
                     filePattern="${LOG_PATH}/${APP_NAME}-%d{yyyy-MM-dd}-%i.log">
            <PatternLayout>
                <pattern>%d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS} [%t] %-5level %logger{36} - %msg%n</pattern>
            </PatternLayout>
            <Policies>
                <TimeBasedTriggeringPolicy/>
                <SizeBasedTriggeringPolicy size="${MAX_FILE_SIZE}"/>
            </Policies>
            <DefaultRolloverStrategy max="${MAX_FILES}"/>
        </RollingFile>

        <!-- 专门记录ERROR日志的文件 -->
        <RollingFile name="ErrorFile"
                     fileName="${LOG_PATH}/${APP_NAME}-error.log"
                     filePattern="${LOG_PATH}/${APP_NAME}-error-%d{yyyy-MM-dd}-%i.log">
            <PatternLayout pattern="%d %p %c [%t] %m%n"/>
            <Policies>
                <TimeBasedTriggeringPolicy/>
            </Policies>
            <DefaultRolloverStrategy max="30"/>
            <!-- 只记录ERROR及以上级别 -->
            <ThresholdFilter level="ERROR" onMatch="ACCEPT" onMismatch="DENY"/>
        </RollingFile>

        <!-- 异步Appender -->
        <Async name="Async">
            <AppenderRef ref="RollingFile"/>
            <AppenderRef ref="ErrorFile"/>
        </Async>
    </Appenders>

    <Loggers>
        <!-- 业务包：DEBUG级别 -->
        <Logger name="com.example" level="debug" additivity="false">
            <AppenderRef ref="Async"/>
        </Logger>

        <!-- 第三方库：INFO级别，避免过多日志 -->
        <Logger name="org.springframework" level="info"/>
        <Logger name="org.hibernate" level="warn"/>

        <!-- 根Logger -->
        <Root level="info">
            <AppenderRef ref="Console"/>
        </Root>
    </Loggers>
</Configuration>

6.3 代码示例：用户服务与异常处理

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

public class UserService {
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(UserService.class);

    public void processUser(String username) {
        logger.debug("Processing user: {}", username);

        // 模拟不同场景
        if (username == null) {
            logger.warn("Null username provided, using default");
            username = "anonymous";
        }

        if (username.length() < 3) {
            logger.error("Username '{}' is too short", username);
            throw new IllegalArgumentException("Username too short");
        }

        logger.info("Successfully processed user: {}", username);
    }
}

public class LoggingDemo {
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(LoggingDemo.class);

    public static void main(String[] args) {
        logger.info("Application started");

        UserService userService = new UserService();

        try {
            userService.processUser("alice");
            userService.processUser("ab");
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Processing failed", e);
        }

        logger.info("Application finished");
    }
}

6.4 运行结果分析

1. 控制台输出（彩色）：

   2025-08-01 09:00:00.123 [main] INFO  c.e.LoggingDemo - Application started
   2025-08-01 09:00:00.124 [main] DEBUG c.e.UserService - Processing user: alice
   2025-08-01 09:00:00.125 [main] INFO  c.e.UserService - Successfully processed user: alice
   2025-08-01 09:00:00.126 [main] DEBUG c.e.UserService - Processing user: ab
   2025-08-01 09:00:00.126 [main] ERROR c.e.UserService - Username 'ab' is too short
   2025-08-01 09:00:00.127 [main] ERROR c.e.LoggingDemo - Processing failed
   java.lang.IllegalArgumentException: Username too short
       at com.example.UserService.processUser(UserService.java:18)
       ...
   2025-08-01 09:00:00.128 [main] INFO  c.e.LoggingDemo - Application finished
   

2. 日志文件：

   • logs/myapp.log：包含所有DEBUG及以上日志。
   • logs/myapp-error.log：仅包含ERROR日志。
   • 当文件达到100MB或跨天时，生成新文件并压缩。

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七、性能优化与最佳实践

7.1 性能优化技巧

1. 使用异步日志

   • 显著降低日志记录的延迟。
   • 配置 AsyncAppender 或使用 AsyncLogger。

2. 避免不必要的字符串拼接

   • 始终使用 {} 占位符。

   • 在条件判断中检查日志级别：

     if (logger.isDebugEnabled()) {
         logger.debug("Complex object: " + expensiveToString()); // expensiveToString() 可能很耗时
     }
     // 更好的方式：让SLF4J内部判断
     logger.debug("Complex object: {}", () -> expensiveToString()); // Lambda延迟执行
     

3. 合理设置日志级别

   • 生产环境避免 DEBUG 和 TRACE。
   • 使用MDC（Mapped Diagnostic Context）进行上下文追踪。

4. 监控日志文件大小

   • 配置合理的滚动策略和保留策略，避免磁盘耗尽。

7.2 MDC（Mapped Diagnostic Context）

MDC允许在日志中添加上下文信息，如请求ID、用户ID，便于追踪分布式请求。

import org.slf4j.MDC;

public class RequestHandler {
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(RequestHandler.class);

    public void handleRequest(String requestId, String userId) {
        // 将上下文放入MDC
        MDC.put("requestId", requestId);
        MDC.put("userId", userId);

        try {
            logger.info("Handling request"); // 日志中会包含requestId和userId
            // ... 业务逻辑
        } finally {
            // 清理MDC，避免内存泄漏
            MDC.clear();
        }
    }
}

修改PatternLayout以包含MDC：

<PatternLayout pattern="%d %p %c [%t] [%X{requestId} %X{userId}] %m%n"/>

输出：

2025-08-01 09:15:30.456 INFO c.e.RequestHandler [main] [req-123 user-456] Handling request

7.3 最佳实践清单

1. 使用SLF4J门面，避免直接依赖具体实现。
2. Logger命名：使用 private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(当前类.class);。
3. 日志级别选择：
   • ERROR：系统错误，需要立即关注。
   • WARN：潜在问题，可能影响功能。
   • INFO：重要业务事件，如启动、关闭、关键操作。
   • DEBUG：调试信息，用于开发和问题排查。
   • TRACE：非常详细的调试信息。
4. 记录异常：使用 logger.error("Message", exception)，而非 logger.error("Message: " + exception.getMessage())。
5. 避免敏感信息：不要记录密码、密钥、身份证号等。
6. 配置文件外置：将 log4j2.xml 放在 classpath 外，便于运维修改。
7. 定期审查日志：确保日志内容有价值，避免“日志噪音”。

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八、常见问题与解决方案

8.1 NoClassDefFoundError / ClassNotFoundException

问题：缺少必要的JAR包。

解决方案：

• 检查Maven依赖是否完整。
• 确保SLF4J绑定库与Log4j版本兼容。
• 使用 mvn dependency:tree 检查依赖冲突。

8.2 日志不输出

可能原因：

1. 配置文件未找到（不在classpath）。
2. Logger级别设置过高（如OFF）。
3. Appender配置错误（如路径不可写）。
4. 存在多个SLF4J绑定，导致冲突。

排查步骤：

• 检查 status="DEBUG" 查看Log4j内部日志。
• 确认 log4j2.xml 在 src/main/resources 目录。
• 使用 LoggerFactory.getLogger("Test") 测试。

8.3 日志文件未滚动

原因：

• filePattern 配置错误。
• Policies 未正确配置。
• 磁盘空间不足或权限问题。

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九、与其他框架集成

9.1 Spring Boot

Spring Boot默认使用 Logback，但可轻松切换到 Log4j 2。

1. 排除Logback，引入Log4j 2

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-logging</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-log4j2</artifactId>
</dependency>

2. 配置文件

• log4j2-spring.xml：Spring Boot推荐命名，支持Spring Profile。
• application.properties 中配置：

  logging.config=classpath:log4j2-spring.xml
  

9.2 Web应用（Servlet）

在 web.xml 中配置Log4j 2的监听器，确保在应用启动时初始化：

<listener>
    <listener-class>org.apache.logging.log4j.web.Log4jServletContextListener</listener-class>
</listener>

<context-param>
    <param-name>log4jConfiguration</param-name>
    <param-value>/WEB-INF/log4j2.xml</param-value>
</context-param>

---

十、总结

Log4j 2.x 和 SLF4J 的组合为Java应用提供了强大、灵活、高性能的日志解决方案。

• SLF4J 作为日志门面，实现了应用与日志实现的解耦，是“面向接口编程”原则的典范。
• Log4j 2.x 作为日志实现，提供了丰富的功能、卓越的性能和高度的可配置性。

通过合理配置Appender、Layout、Level和过滤器，我们可以构建出满足各种需求的日志系统。结合MDC、异步日志、滚动策略等高级特性，能够有效支持生产环境的监控和运维。

记住，好的日志不是越多越好，而是要在正确的时间、以正确的格式、记录正确的内容。遵循最佳实践，定期审查和优化日志策略，你的应用将拥有一个可靠、高效的“黑匣子”。

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附录：完整Maven依赖

<dependencies>
    <!-- SLF4J API -->
    <dependency>
        <groupId>org.slf4j</groupId>
        <artifactId>slf4j-api</artifactId>
        <version>1.7.36</version>
    </dependency>

    <!-- Log4j 2 API -->
    <dependency>
        <groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
        <artifactId>log4j-api</artifactId>
        <version>2.19.0</version>
    </dependency>

    <!-- Log4j 2 Core -->
    <dependency>
        <groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
        <artifactId>log4j-core</artifactId>
        <version>2.19.0</version>
    </dependency>

    <!-- SLF4J to Log4j 2 Bridge -->
    <dependency>
        <groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
        <artifactId>log4j-slf4j-impl</artifactId>
        <version>2.19.0</version>
    </dependency>

    <!-- 可选：Log4j 2 Async Support (LMAX Disruptor) -->
    <dependency>
        <groupId>com.lmax</groupId>
        <artifactId>disruptor</artifactId>
        <version>3.4.4</version>
    </dependency>
</dependencies>