03｜模型I/O：输入提示、调用模型、解析输出

从这节课开始，我们将对 LangChain 中的六大核心组件一一进行详细的剖析。

模型，位于 LangChain 框架的最底层，它是基于语言模型构建的应用的核心元素，因为所谓 LangChain 应用开发，就是以 LangChain 作为框架，通过 API 调用大模型来解决具体问题的过程。

可以说，整个 LangChain 框架的逻辑都是由 LLM 这个发动机来驱动的。没有模型，LangChain 这个框架也就失去了它存在的意义。那么这节课我们就详细讲讲模型，最后你会收获一个能够自动生成鲜花文案的应用程序。

Model I/O

我们可以把对模型的使用过程拆解成三块，分别是输入提示（对应图中的 Format）、调用模型（对应图中的 Predict）和输出解析（对应图中的 Parse）。这三块形成了一个整体，因此在 LangChain 中这个过程被统称为 Model I/O（Input/Output）。

Model I/O：从输入到输出

在模型 I/O 的每个环节，LangChain 都为咱们提供了模板和工具，快捷地形成调用各种语言模型的接口。

1. 提示模板：使用模型的第一个环节是把提示信息输入到模型中，你可以创建 LangChain 模板，根据实际需求动态选择不同的输入，针对特定的任务和应用调整输入。
2. 语言模型：LangChain 允许你通过通用接口来调用语言模型。这意味着无论你要使用的是哪种语言模型，都可以通过同一种方式进行调用，这样就提高了灵活性和便利性。
3. 输出解析：LangChain 还提供了从模型输出中提取信息的功能。通过输出解析器，你可以精确地从模型的输出中获取需要的信息，而不需要处理冗余或不相关的数据，更重要的是还可以把大模型给回的非结构化文本，转换成程序可以处理的结构化数据。

下面我们用示例的方式来深挖一下这三个环节。先来看看 LangChain 中提示模板的构建。

提示模板

语言模型是个无穷无尽的宝藏，人类的知识和智慧，好像都封装在了这个“魔盒”里面了。但是，怎样才能解锁其中的奥秘，那可就是仁者见仁智者见智了。所以，现在“提示工程”这个词特别流行，所谓 Prompt Engineering，就是专门研究对大语言模型的提示构建。

我的观点是，使用大模型的场景千差万别，因此肯定不存在那么一两个神奇的模板，能够骗过所有模型，让它总能给你最想要的回答。然而，好的提示（其实也就是好的问题或指示啦），肯定能够让你在调用语言模型的时候事半功倍。

那其中的具体原则，不外乎吴恩达老师在他的提示工程课程中所说的：

1. 给予模型清晰明确的指示
2. 让模型慢慢地思考

说起来很简单，对吧？是的，道理总是简单，但是如何具体实践这些原则，又是个大问题。让我从创建一个简单的 LangChain 提示模板开始。

这里，我们希望为销售的每一种鲜花生成一段简介文案，那么每当你的员工或者顾客想了解某种鲜花时，调用该模板就会生成适合的文字。

这个提示模板的生成方式如下：

# 导入LangChain中的提示模板
from langchain import PromptTemplate
# 创建原始模板
template = """您是一位专业的鲜花店文案撰写员。\n
对于售价为 {price} 元的 {flower_name} ，您能提供一个吸引人的简短描述吗？
"""
# 根据原始模板创建LangChain提示模板
prompt = PromptTemplate.from_template(template) 
# 打印LangChain提示模板的内容
print(prompt)

提示模板的具体内容如下：

input_variables=['flower_name', 'price'] 
output_parser=None partial_variables={} 
template='/\n您是一位专业的鲜花店文案撰写员。
\n对于售价为 {price} 元的 {flower_name} ，您能提供一个吸引人的简短描述吗？\n'
template_format='f-string' 
validate_template=True

在这里，所谓“模板”就是一段描述某种鲜花的文本格式，它是一个 f-string，其中有两个变量 {flower_name} 和 {price} 表示花的名称和价格，这两个值是模板里面的占位符，在实际使用模板生成提示时会被具体的值替换。

代码中的 from_template 是一个类方法，它允许我们直接从一个字符串模板中创建一个 PromptTemplate 对象。打印出这个 PromptTemplate 对象，你可以看到这个对象中的信息包括输入的变量（在这个例子中就是 flower_name 和 price）、输出解析器（这个例子中没有指定）、模板的格式（这个例子中为'f-string'）、是否验证模板（这个例子中设置为 True）。

因此 PromptTemplate 的 from_template 方法就是将一个原始的模板字符串转化为一个更丰富、更方便操作的 PromptTemplate 对象，这个对象就是 LangChain 中的提示模板。LangChain 提供了多个类和函数，也为各种应用场景设计了很多内置模板，使构建和使用提示变得容易。我们下节课还会对提示工程的基本原理和 LangChain 中的各种提示模板做更深入的讲解。

下面，我们将会使用这个刚刚构建好的提示模板来生成提示，并把提示输入到大语言模型中。

语言模型

LangChain 中支持的模型有三大类。

1. 大语言模型（LLM） ，也叫 Text Model，这些模型将文本字符串作为输入，并返回文本字符串作为输出。Open AI 的 text-davinci-003、Facebook 的 LLaMA、ANTHROPIC 的 Claude，都是典型的 LLM。
2. 聊天模型（Chat Model），主要代表 Open AI 的 ChatGPT 系列模型。这些模型通常由语言模型支持，但它们的 API 更加结构化。具体来说，这些模型将聊天消息列表作为输入，并返回聊天消息。
3. 文本嵌入模型（Embedding Model），这些模型将文本作为输入并返回浮点数列表，也就是 Embedding。而文本嵌入模型如 OpenAI 的 text-embedding-ada-002，我们之前已经见过了。文本嵌入模型负责把文档存入向量数据库，和我们这里探讨的提示工程关系不大。

然后，我们将调用语言模型，让模型帮我们写文案，并且返回文案的结果。

# 设置OpenAI API Key
import os
os.environ["OPENAI_API_KEY"] = '你的Open AI API Key'

# 导入LangChain中的OpenAI模型接口
from langchain import OpenAI
# 创建模型实例
model = OpenAI(model_name='text-davinci-003')
# 输入提示
input = prompt.format(flower_name=["玫瑰"], price='50')
# 得到模型的输出
output = model(input)
# 打印输出内容
print(output)  

input = prompt.format(flower_name=["玫瑰"], price='50') 这行代码的作用是将模板实例化，此时将 {flower_name} 替换为 "玫瑰"，{price} 替换为 '50'，形成了具体的提示：“您是一位专业的鲜花店文案撰写员。对于售价为 50 元的玫瑰，您能提供一个吸引人的简短描述吗？”

接收到这个输入，调用模型之后，得到的输出如下：

让你心动！50元就可以拥有这支充满浪漫气息的玫瑰花束，让TA感受你的真心爱意。

复用提示模板，我们可以同时生成多个鲜花的文案。

# 导入LangChain中的提示模板
from langchain import PromptTemplate
# 创建原始模板
template = """您是一位专业的鲜花店文案撰写员。\n
对于售价为 {price} 元的 {flower_name} ，您能提供一个吸引人的简短描述吗？
"""
# 根据原始模板创建LangChain提示模板
prompt = PromptTemplate.from_template(template) 
# 打印LangChain提示模板的内容
print(prompt)

# 设置OpenAI API Key
import os
os.environ["OPENAI_API_KEY"] = '你的Open AI API Key'

# 导入LangChain中的OpenAI模型接口
from langchain import OpenAI
# 创建模型实例
model = OpenAI(model_name='text-davinci-003')

# 多种花的列表
flowers = ["玫瑰", "百合", "康乃馨"]
prices = ["50", "30", "20"]

# 生成多种花的文案
for flower, price in zip(flowers, prices):
    # 使用提示模板生成输入
    input_prompt = prompt.format(flower_name=flower, price=price)

    # 得到模型的输出
    output = model(input_prompt)

    # 打印输出内容
    print(output)

模型的输出如下：

这支玫瑰，深邃的红色，传递着浓浓的深情与浪漫，令人回味无穷！百合：美丽的花朵，多彩的爱恋！30元让你拥有它！康乃馨—20元，象征爱的祝福，送给你最真挚的祝福。

你也许会问我，在这个过程中，使用 LangChain 的意义究竟何在呢？我直接调用 Open AI 的 API，不是完全可以实现相同的功能吗？

的确如此，让我们来看看直接使用 Open AI API 来完成上述功能的代码。

import openai # 导入OpenAI
openai.api_key = 'Your-OpenAI-API-Key' # API Key

prompt_text = "您是一位专业的鲜花店文案撰写员。对于售价为{}元的{}，您能提供一个吸引人的简短描述吗？" # 设置提示

flowers = ["玫瑰", "百合", "康乃馨"]
prices = ["50", "30", "20"]

# 循环调用Text模型的Completion方法，生成文案
for flower, price in zip(flowers, prices):
    prompt = prompt_text.format(price, flower)
    response = openai.Completion.create(
        engine="text-davinci-003",
        prompt=prompt,
        max_tokens=100
    )
    print(response.choices[0].text.strip()) # 输出文案

上面的代码是直接使用 Open AI 和带有 {} 占位符的提示语，同时生成了三种鲜花的文案。看起来也是相当简洁。

不过，如果你深入思考一下，你就会发现 LangChain 的优势所在。**我们只需要定义一次模板，就可以用它来生成各种不同的提示。**对比单纯使用 f-string 来格式化文本，这种方法更加简洁，也更容易维护。而 LangChain 在提示模板中，还整合了 output_parser、template_format 以及是否需要 validate_template 等功能。

更重要的是，使用 LangChain 提示模板，我们还可以很方便地把程序切换到不同的模型，而不需要修改任何提示相关的代码。

下面，我们用完全相同的提示模板来生成提示，并发送给 HuggingFaceHub 中的开源模型来创建文案。（注意：需要注册 HUGGINGFACEHUB_API_TOKEN）

# 导入LangChain中的提示模板
from langchain import PromptTemplate
# 创建原始模板
template = """You are a flower shop assitiant。\n
For {price} of {flower_name} ，can you write something for me？
"""
# 根据原始模板创建LangChain提示模板
prompt = PromptTemplate.from_template(template) 
# 打印LangChain提示模板的内容
print(prompt)
import os
os.environ['HUGGINGFACEHUB_API_TOKEN'] = '你的HuggingFace API Token'
# 导入LangChain中的OpenAI模型接口
from langchain import HuggingFaceHub
# 创建模型实例
model= HuggingFaceHub(repo_id="google/flan-t5-large")
# 输入提示
input = prompt.format(flower_name=["rose"], price='50')
# 得到模型的输出
output = model(input)
# 打印输出内容
print(output)

输出：

i love you

真是一分钱一分货，当我使用较早期的开源模型 T5，得到了很粗糙的文案 “i love you”（哦，还要注意 T5 还没有支持中文的能力，我把提示文字换成英文句子，结构其实都没变）。

当然，这里我想要向你传递的信息是：你可以重用模板，重用程序结构，通过 LangChain 框架调用任何模型。如果你熟悉机器学习的训练流程的话，这 LangChain 是不是让你联想到 PyTorch 和 TensorFlow 这样的框架——模型可以自由选择、自主训练，而调用模型的框架往往是有章法、而且可复用的。

因此，使用 LangChain 和提示模板的好处是：

1. 代码的可读性：使用模板的话，提示文本更易于阅读和理解，特别是对于复杂的提示或多变量的情况。
2. 可复用性：模板可以在多个地方被复用，让你的代码更简洁，不需要在每个需要生成提示的地方重新构造提示字符串。
3. 维护：如果你在后续需要修改提示，使用模板的话，只需要修改模板就可以了，而不需要在代码中查找所有使用到该提示的地方进行修改。
4. 变量处理：如果你的提示中涉及到多个变量，模板可以自动处理变量的插入，不需要手动拼接字符串。
5. 参数化：模板可以根据不同的参数生成不同的提示，这对于个性化生成文本非常有用。

那我们就接着介绍模型 I/O 的最后一步，输出解析。

输出解析

LangChain 提供的解析模型输出的功能，使你能够更容易地从模型输出中获取结构化的信息，这将大大加快基于语言模型进行应用开发的效率。

为什么这么说呢？请你思考一下刚才的例子，你只是让模型生成了一个文案。这段文字是一段字符串，正是你所需要的。但是，在开发具体应用的过程中，很明显我们不仅仅需要文字，更多情况下我们需要的是程序能够直接处理的、结构化的数据。

比如说，在这个文案中，如果你希望模型返回两个字段：

• description：鲜花的说明文本
• reason：解释一下为何要这样写上面的文案

那么，模型可能返回的一种结果是：

A：“文案是：让你心动！50 元就可以拥有这支充满浪漫气息的玫瑰花束，让 TA 感受你的真心爱意。为什么这样说呢？因为爱情是无价的，50 元对应热恋中的情侣也会觉得值得。”

上面的回答并不是我们在处理数据时所需要的，我们需要的是一个类似于下面的 Python 字典。

B：{description: “让你心动！50 元就可以拥有这支充满浪漫气息的玫瑰花束，让 TA 感受你的真心爱意。” ; reason: “因为爱情是无价的，50 元对应热恋中的情侣也会觉得值得。”}

那么从 A 的笼统言语，到 B 这种结构清晰的数据结构，如何自动实现？这就需要 LangChain 中的输出解析器上场了。

下面，我们就通过 LangChain 的输出解析器来重构程序，让模型有能力生成结构化的回应，同时对其进行解析，直接将解析好的数据存入 CSV 文档。

# 通过LangChain调用模型
from langchain import PromptTemplate, OpenAI

# 导入OpenAI Key
import os
os.environ["OPENAI_API_KEY"] = '你的OpenAI API Key'

# 创建原始提示模板
prompt_template = """您是一位专业的鲜花店文案撰写员。
对于售价为 {price} 元的 {flower_name} ，您能提供一个吸引人的简短描述吗？
{format_instructions}"""

# 创建模型实例
model = OpenAI(model_name='text-davinci-003')

# 导入结构化输出解析器和ResponseSchema
from langchain.output_parsers import StructuredOutputParser, ResponseSchema
# 定义我们想要接收的响应模式
response_schemas = [
    ResponseSchema(name="description", description="鲜花的描述文案"),
    ResponseSchema(name="reason", description="问什么要这样写这个文案")
]
# 创建输出解析器
output_parser = StructuredOutputParser.from_response_schemas(response_schemas)

# 获取格式指示
format_instructions = output_parser.get_format_instructions()
# 根据原始模板创建提示，同时在提示中加入输出解析器的说明
prompt = PromptTemplate.from_template(prompt_template, 
                partial_variables={"format_instructions": format_instructions}) 

# 数据准备
flowers = ["玫瑰", "百合", "康乃馨"]
prices = ["50", "30", "20"]

# 创建一个空的DataFrame用于存储结果
import pandas as pd
df = pd.DataFrame(columns=["flower", "price", "description", "reason"]) # 先声明列名

for flower, price in zip(flowers, prices):
    # 根据提示准备模型的输入
    input = prompt.format(flower_name=flower, price=price)

    # 获取模型的输出
    output = model(input)
    
    # 解析模型的输出（这是一个字典结构）
    parsed_output = output_parser.parse(output)

    # 在解析后的输出中添加“flower”和“price”
    parsed_output['flower'] = flower
    parsed_output['price'] = price

    # 将解析后的输出添加到DataFrame中
    df.loc[len(df)] = parsed_output  

# 打印字典
print(df.to_dict(orient='records'))

# 保存DataFrame到CSV文件
df.to_csv("flowers_with_descriptions.csv", index=False)

输出：

[{'flower': '玫瑰', 'price': '50', 'description': 'Luxuriate in the beauty of this 50 yuan rose, with its deep red petals and delicate aroma.', 'reason': 'This description emphasizes the elegance and beauty of the rose, which will be sure to draw attention.'}, 
{'flower': '百合', 'price': '30', 'description': '30元的百合，象征着坚定的爱情，带给你的是温暖而持久的情感！', 'reason': '百合是象征爱情的花，写出这样的描述能让顾客更容易感受到百合所带来的爱意。'}, 
{'flower': '康乃馨', 'price': '20', 'description': 'This beautiful carnation is the perfect way to show your love and appreciation. Its vibrant pink color is sure to brighten up any room!', 'reason': 'The description is short, clear and appealing, emphasizing the beauty and color of the carnation while also invoking a sense of love and appreciation.'}]

这段代码中，首先定义输出结构，我们希望模型生成的答案包含两部分：鲜花的描述文案（description）和撰写这个文案的原因（reason）。所以我们定义了一个名为 response_schemas 的列表，其中包含两个 ResponseSchema 对象，分别对应这两部分的输出。

根据这个列表，我通过 StructuredOutputParser.from_response_schemas 方法创建了一个输出解析器。

然后，我们通过输出解析器对象的 get_format_instructions() 方法获取输出的格式说明（format_instructions），再根据原始的字符串模板和输出解析器格式说明创建新的提示模板（这个模板就整合了输出解析结构信息）。再通过新的模板生成模型的输入，得到模型的输出。此时模型的输出结构将尽最大可能遵循我们的指示，以便于输出解析器进行解析。

对于每一个鲜花和价格组合，我们都用 output_parser.parse(output) 把模型输出的文案解析成之前定义好的数据格式，也就是一个 Python 字典，这个字典中包含了 description 和 reason 这两个字段的值。

parsed_output
{'description': 'This 50-yuan rose is... feelings.', 'reason': 'The description is s...y emotion.'}
len(): 2

最后，把所有信息整合到一个 pandas DataFrame 对象中（需要安装 Pandas 库）。这个 DataFrame 对象中包含了 flower、price、description 和 reason 这四个字段的值。其中，description 和 reason 是由 output_parser 从模型的输出中解析出来的，flower 和 price 是我们自己添加的。

我们可以打印出 DataFrame 的内容，也方便地在程序中处理它，比如保存为下面的 CSV 文件。因为此时数据不再是模糊的、无结构的文本，而是结构清晰的有格式的数据。输出解析器在这个过程中的功劳很大。