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本文目标：围绕Chat模型的Function calling功能进行更高层次的函数封装，并实现一个能够调用外部函数的多轮对话任务

写在前面：本文内容的复现过程，如果有条件的，建议使用gpt 4接口，输出稳定，gpt3.5不太稳定，但运行几次也能得到标准结果

如果存在Rate limit 报错，是OpenAI的速率限制，可以绑定信用卡后解除，以保证程序正常运行

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一、Function calling 流程优化思路

在大模型开发(十一)：Chat Completions模型的Function calling功能详解中，已经详细解释了Function calling的用法，回顾一下其函数流程是这样的：

对于上述这种原始的Function calling实现流程而言，尽管过程清晰，但要完整跑通一个流程所涉及到的代码环节较多，在高频调用该功能的场景中，这个复杂的代码流程会极大程度影响使用和开发效率。因此，需要考虑如何对上述流程进行优化。

总的来说，优化的方向有两个：

1. 优化functions参数的编写效率

比如之前写到的这个外部函数：

def calculate_algorithm(data):
    """
    该函数定义了一种特殊的数据集计算过程
    :param data: 必要参数，表示带入计算的数据表，用字符串进行表示
    :return：函数计算后的结果，返回结果为表示为JSON格式的Dataframe类型对象
    """
    data = io.StringIO(data)
    df_new = pd.read_csv(data, sep='\s+', index_col=0)
    res = np.sum(df_new, axis=1) - 1
    return json.dumps(res.to_string())
    
available_functions = {
            "calculate_algorithm": calculate_algorithm,
        }
    
calculate_function = {"name": "calculate_algorithm",
                      "description": "用于执行计算算法的函数，定义了一种特殊的数据集计算过程",
                      "parameters": {"type": "object",
                                     "properties": {"data": {"type": "string",
                                                             "description": "执行计算算法的数据集"},
                                                   },
                                     "required": ["data"],
                                    },
                     }

functions = [calculate_function]
functions

在手动实现Function calling功能这个过程中，将外部函数信息输入到functions参数中的过程非常复杂，需要涉及到大量的JSON Schema编写过程，并且，如果函数库中包含大量函数，逐个编写JSON Schema会非常复杂。

因此**找到一种方法，大幅降低Chat模型读取外部函数的门槛，是非常有必要的。**例如当编写完calculate_algorithm(计算函数)后模型就能让大语言模型自动识别这个函数并创建相应的functions参数，而不用手动对其进行编写。

2、优化second response流程

在做交互需求的开发中，其实并不关心向大模型提问时中间有几次调用模型的过程，只希望在一次对话中快速完成需求，即无论是否进行外部函数调用，都希望能够在一次代码交互过程中完成对话任务。

因此完成对对话流程进行更高层次的封装，是非常有必要的。也就是说如果对话过程需要调用Function calling，能自动执行second response，并最终在一次对话中返回最终结果。

接下来就针对这两方面依次做一下优化。

二、优化一：自动编写函数

functions参数其实是非常一类高度结构化的参数，而参数中的核心信息其实都来源于函数本身：

因此，functions参数的编写其实本质上就是一个翻译的过程，将函数原始的说明信息翻译成functions参数要求的格式。

而对于大语言模型(LLMs)来说，它对JSON Schema格式的是非常熟悉的：

response = openai.ChatCompletion.create(
  model="gpt-3.5-turbo-16k-0613",
  messages=[
    {"role": "user", "content": "请问什么是JSON Schema？"}
  ]
)

response.choices[0].message['content']

看下它的输出：

能够看出，Chat模型是具备JSON Schema相关知识储备的。由此不难判断，只要详细的编写每个函数的函数说明，并且通过合理的提示让模型理解functions参数结构，同时借助模型本身对JSON Schema的理解，是能够让Chat模型自主读取并创建函数的functions参数的。

尝试实现一下：

• Step 1：提取函数说明

首先通过inspect库中的getdoc方法来将函数说明提取为字符串，代码如下：

import inspect

function_description = inspect.getdoc(calculate_algorithm)
function_description

看下提取结果：

inspect库中包含了非常多用于辅助验证函数功能的函数，能够非常高效的执行获取函数参数、函数源码、函数说明等功能。

• Step 2: 测试是否能将函数参数格式转化成JSON Schema类型

response = openai.ChatCompletion.create(
  model="gpt-3.5-turbo-16k-0613",
  messages=[
    {"role": "system", "content": "以下是计算函数的函数说明：%s" % function_description},
    {"role": "user", "content": "请帮我编写一个JSON Schema对象，用于说明计算函数的参数输入规范。输出结果要求是JSON Schema格式的JONS类型对象，不需要任何前后修饰语句。其中description部分请用中文"}
  ]
)
response.choices[0].message['content']

看下输出结果：

Chat函数的输出结果是JSON格式对象，通过json.loads方法将其转化为python对象，代码如下：

json.loads(response.choices[0].message['content'])

看下结果：

对比手动编写的结果，其实模型能够根据函数的参数说明正确识别计算函数的参数格式，并输出对应的JSON Schema对象。

'additionalProperties’关键词表示不存在另一种输入格式，这两个关键词对所描述的对象结构类型并没有任何影响。

• Step 3：编写自动编写functions参数函数

尝试通过合理的提示，让模型能够自动编写functions参数，以下是Chat模型提示过程，经测试gpt3.5使用Zero-shot输出极不稳定，所以使用Few-shot提示：

# 定义Few-shot提示
Q1_system_prompt = '以下是某函数说明：%s' % function_description
Q1_user_prompt = '根据这个函数的函数说明，请帮我创建一个JSON格式的字典，这个字典有如下5点要求：\
               1.字典总共有三个键值对；\
               2.第一个键值对的Key是字符串name，value是该函数的名字：%s，也是字符串；\
               3.第二个键值对的Key是字符串description，value是该函数的函数的功能说明，也是字符串；\
               4.第三个键值对的Key是字符串parameters，value是一个JSON Schema对象，用于说明该函数的参数输入规范。\
               5.输出结果必须是一个JSON格式的字典，且不需要任何前后修饰语句' % calculate_algorithm.__name__

A1_system_prompt = "测试算法函数，该函数定义了一种特殊的数据集计算过程\n:param data: 必要参数，要求字符串类型，表示带入计算的数据表\n:return：测试函数计算后的结果，返回结果为json字符串类型对象"
A1_user_prompt = "{'name': 'testg_algorithm', \
                   'description': '测试算法函数，该函数定义了一种特殊的数据集计算过程', \
                   'parameters': {'title': '测试算法函数参数', \
                                  'type': 'object', \
                                  'properties': {'data': {'description': '字符串类型的数据表', 'type': 'string'}}, \
                                  'required': ['data']}}"

system_prompt = '以下是某函数说明：%s' % function_description
user_prompt = '根据这个函数的函数说明，请帮我创建一个JSON格式的字典，这个字典有如下5点要求：\
               1.字典总共有三个键值对；\
               2.第一个键值对的Key是字符串name，value是该函数的名字：%s，也是字符串；\
               3.第二个键值对的Key是字符串description，value是该函数的函数的功能说明，也是字符串；\
               4.第三个键值对的Key是字符串parameters，value是一个JSON Schema对象，用于说明该函数的参数输入规范。\
               5.输出结果必须是一个JSON格式的字典，且不需要任何前后修饰语句' % calculate_algorithm.__name__

然后带入模型:

response = openai.ChatCompletion.create(
  model="gpt-3.5-turbo-16k-0613",
  messages=[
    {"role": "system", "content": system_prompt},
    {"role": "user", "content": user_prompt}
  ]
)
response.choices[0].message['content']

来看下最终的结果：

这个过程（按照格式输出文本语义理解的内容）对于大语言模型来说是非常简单的推理过程，在JSON Schema对象编写时，Few-shot效果会明显好于当前的Zero-shot过程。

• Step 4：高级函数封装

对上述流程进行更高层次的封装，编写一个自动输出functions参数的函数，代码如下：

def auto_functions(functions_list):
    """
    Chat模型的functions参数编写函数
    :param functions_list: 包含一个或者多个函数对象的列表；
    :return：满足Chat模型functions参数要求的functions对象
    """
    def functions_generate(functions_list):
        # 创建空列表，用于保存每个函数的描述字典
        functions = []
        # 对每个外部函数进行循环
        for function in functions_list:
            # 读取函数对象的函数说明
            function_description = inspect.getdoc(function)
            # 读取函数的函数名字符串
            function_name = function.__name__
            
            Q1_system_prompt = '以下是某函数说明：%s' % function_description
            Q1_user_prompt = '根据这个函数的函数说明，请帮我创建一个JSON格式的字典，这个字典有如下5点要求：\
                               1.字典总共有三个键值对；\
                               2.第一个键值对的Key是字符串name，value是该函数的名字：%s，也是字符串；\
                               3.第二个键值对的Key是字符串description，value是该函数的函数的功能说明，也是字符串；\
                               4.第三个键值对的Key是字符串parameters，value是一个JSON Schema对象，用于说明该函数的参数输入规范。\
                               5.输出结果必须是一个JSON格式的字典，且不需要任何前后修饰语句' % calculate_algorithm.__name__

            A1_system_prompt = "测试算法函数，该函数定义了一种特殊的数据集计算过程\n:param data: 必要参数，要求字符串类型，表示带入计算的数据表\n:return：测试函数计算后的结果，返回结果为json字符串类型对象"
            A1_user_prompt = "{'name': 'testg_algorithm', \
                               'description': '测试算法函数，该函数定义了一种特殊的数据集计算过程', \
                               'parameters': {'title': '测试算法函数参数', \
                                              'type': 'object', \
                                              'properties': {'data': {'description': '字符串类型的数据表', 'type': 'string'}}, \
                                              'required': ['data']}}"
            

            system_prompt = '以下是某函数说明：%s' % function_description
            user_prompt = '根据这个函数的函数说明，请帮我创建一个JSON格式的字典，这个字典有如下5点要求：\
                           1.字典总共有三个键值对；\
                           2.第一个键值对的Key是字符串name，value是该函数的名字：%s，也是字符串；\
                           3.第二个键值对的Key是字符串description，value是该函数的函数的功能说明，也是字符串；\
                           4.第三个键值对的Key是字符串parameters，value是一个JSON Schema对象，类型为object,用于说明该函数的参数输入规范;\
                           5.输出结果必须是一个JSON格式的字典，只输出这个字典即可，前后不需要任何前后修饰或说明的语句' % function_name

            response = openai.ChatCompletion.create(
                              model="gpt-3.5-turbo-16k-0613",
                              messages=[
                                {"role": "system", "content": "Q:" +  Q1_system_prompt + Q1_user_prompt + "A:" + A1_system_prompt + A1_user_prompt },

                                {"role": "user", "content": 'Q:' + system_prompt + user_prompt}
                              ]
                            )
            functions.append(json.loads(response.choices[0].message['content']))
        return functions
    
    max_attempts = 3
    attempts = 0

    while attempts < max_attempts:
        try:
            functions = functions_generate(functions_list)
            break  # 如果代码成功执行，跳出循环
        except Exception as e:
            attempts += 1  # 增加尝试次数
            print("发生错误：", e)
            if attempts == max_attempts:
                print("已达到最大尝试次数，程序终止。")
                raise  # 重新引发最后一个异常
            else:
                print("正在重新运行...")
    return functions

上述代码把函数功能的主题封装在functions_generate这个内嵌函数中，然后外层函数主要控制报错时的处理流程：即如果函数执行时报错，三次内报错都会反复调用执行functions_generate，三次报错之后则会直接停止运行。这里之所以要设置多次报错仍然反复执行，是因为哪怕user_prompt中明确指出“只输出这个字典即可，前后不需要任何前后修饰或说明的语句”，但模型仍然可能会输出前后说明文字，此时是无法直接使用functions.append(json.loads(response.choices[0].message[‘content’]))来提取functions字典的，但这只是小概率事件，再次进行相同问题的提问，输出的结果大概率不会再包含前后修饰语句，functions_generate即可正常运行。

• Step 5：单个外部函数带入测试

先提取到JSON Schema格式的描述

functions_list = [calculate_algorithm]

functions = auto_functions(functions_list)

functions

输出如下：

接下来测试将其带入Chat模型，验证模型是否能顺利执行Function calling功能，代码如下：

# 创建一个DataFrame
df = pd.DataFrame({'x1':[1, 2], 'x2':[3, 4]})

# 函数输出的结构都必须是字符串类型才能够被大模型正常的识别
df_str = df.to_string()

df_str

messages=[
    {"role": "system", "content": "数据集data：%s，数据集以字符串形式呈现" % df_str},
    {"role": "user", "content": "请在数据集data上执行计算算法"}
]

response = openai.ChatCompletion.create(
        model="gpt-3.5-turbo-16k-0613",
        messages=messages,
        functions=functions,
        function_call="auto",  
    )
response["choices"][0]["message"]

看下输出：

模型返回结果中存在function_call，则说明模型完成了外部模型的挑选，顺利执行了Function calling功能，也进而说明自动functions参数编写函数切实有效。

• Step 6：多个外部函数带入测试

接下来进一步测试，当添加多个外部函数时，auto_functions函数能否顺利的依次翻译这些函数说明，并组成functions列表，同时在多个函数情况下，模型能否根据实际对话需求智能选择外部函数，代码如下：

def smallC_algorithm(data):
    """
    smallC算法函数，该函数定义了一种特殊的数据集计算过程
    :param data: 必要参数，表示带入计算的数据表，用字符串进行表示
    :return：smallC函数计算后的结果，返回结果为表示为JSON格式的Dataframe类型对象
    """
    df_new = pd.read_json(data)
    res = np.sum(df_new, axis=1) + 1
    return res.to_json(orient='records')
    
functions_list = [calculate_algorithm, smallC_algorithm]

functions = auto_functions(functions_list)
functions

看下输出结果：

在添加了smallC算法之后，auto-functions函数能够顺利输出正确结果，并且模型也能够根据不同的提示，智能筛选外部函数。

三、优化二：编写自动应答函数

针对第二个优化点：即将Function calling执行时的多轮对话封装在一个函数中。这里涉及到外部函数库字典创建，该字典要求一个键值对代表一个函数，每个键值对的Key表示函数名字符串，对应的Value表示对应的函数。

• Step 1：创建函数库字典

对于此前的functions_list里面包含的两个函数，可以使用如下方式创建这个函数库字典：

function_dict = {func.__name__: func for func in functions_list}
function_dict

看下输出：

• Step 2：构造函数

def run_conversation(messages, functions_list=None, model="gpt-3.5-turbo-16k-0613"):
    """
    能够自动执行外部函数调用的Chat对话模型
    :param messages: 必要参数，字典类型，输入到Chat模型的messages参数对象
    :param functions_list: 可选参数，默认为None，可以设置为包含全部外部函数的列表对象
    :param model: Chat模型，可选参数，默认模型为gpt-3.5-turbo-16k-0613
    :return：Chat模型输出结果
    """
    # 如果没有外部函数库，则执行普通的对话任务
    if functions_list == None:
        response = openai.ChatCompletion.create(
                        model=model,
                        messages=messages,
                        )
        response_message = response["choices"][0]["message"]
        final_response = response_message["content"]
        
    # 若存在外部函数库，则需要灵活选取外部函数并进行回答
    else:
        # 创建functions对象
        functions = auto_functions(functions_list)
        # 创建外部函数库字典
        available_functions = {func.__name__: func for func in functions_list}

        # first response
        response = openai.ChatCompletion.create(
                        model=model,
                        messages=messages,
                        functions=functions,
                        function_call="auto")
        response_message = response["choices"][0]["message"]

        # 判断返回结果是否存在function_call，即判断是否需要调用外部函数来回答问题
        if response_message.get("function_call"):
            # 需要调用外部函数
            # 获取函数名
            function_name = response_message["function_call"]["name"]
            # 获取函数对象
            fuction_to_call = available_functions[function_name]
            # 获取函数参数
            function_args = json.loads(response_message["function_call"]["arguments"])
            # 将函数参数输入到函数中，获取函数计算结果
            function_response = fuction_to_call(**function_args)

            # messages中拼接first response消息
            messages.append(response_message)  
            # messages中拼接函数输出结果
            messages.append(
                {
                    "role": "function",
                    "name": function_name,
                    "content": function_response,
                }
            )  
            # 第二次调用模型
            second_response = openai.ChatCompletion.create(
                model=model,
                messages=messages,
            )  
            # 获取最终结果
            final_response = second_response["choices"][0]["message"]["content"]
        else:
            final_response = response_message["content"]
    
    return final_response

• Step 3：函数测试

messages = [
        {"role": "system", "content": "数据集data：%s，数据集以字符串形式呈现" % df_str},
        {"role": "user", "content": '请帮我介绍下data数据集'}]
run_conversation(messages = messages, functions_list = functions_list)

模型能够非常顺利的调用外部函数并围绕当前问题进行准确回答。至此，就完成了既定的Function calling功能执行过程的代码优化，通过借助run_conversation函数，只需设置messages和外部函数列表，即可让模型在回答时有选择性的选择外部函数进行回答，全程无需手动进行调整。

四、实现一个多轮对话函数

更进一步，在run_conversation基础之上，再封装一个可以执行多轮对话的函数，代码如下：

def chat_with_model(functions_list=None, 
                    prompt="你好呀", 
                    model="gpt-4-0613", 
                    system_message=[{"role": "system", "content": "你是以为乐于助人的助手。"}]):
    
    messages = system_message
    messages.append({"role": "user", "content": prompt})
    
    while True:           
        answer = run_conversation(messages=messages, 
                                    functions_list=functions_list, 
                                    model=model)
        
        
        print(f"模型回答: {answer}")

        # 询问用户是否还有其他问题
        user_input = input("您还有其他问题吗？(输入退出以结束对话): ")
        if user_input == "退出":
            break

        # 记录用户回答
        messages.append({"role": "user", "content": user_input})

可以通过传入functions_list测试是否可以调用外部函数。

五、总结

本文首先概述了Function calling流程的优化思路，接着分别详细介绍了两种主要的优化方法：自动编写函数和编写自动应答函数。这两种优化方法可以显著提高Function calling的效率和实用性。最后，演示了如何实现一个多轮对话函数。

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