大模型 LangChain 开发框架-初探

大模型 LangChain 开发框架-初探

一、LangChain 概述

LangChain 是一个强大的由大型语言模型(LLM)驱动的应用程序开发框架。它的核心价值在于提供了标准化组件接口、高效的任务编排能力以及可观察性和评估机制。通过这些特性,LangChain 有效地屏蔽了大模型开发中底层模型 API 的差异,为开发者提供了一种便捷且统一的任务编排范式,类似于 Spring 框架为 Java 开发带来的便利性和规范性,极大地简化了基于大语言模型的应用开发流程。
在这里插入图片描述

https://python.langchain.com/docs/introduction/

(一)标准化组件接口

LangChain 提供了一系列标准化的组件接口,使得开发者能够方便地与各种不同的大语言模型、数据源、工具等进行交互和集成。这些接口涵盖了从数据加载、预处理、模型调用到结果处理的整个流程,确保了不同组件之间的兼容性和互操作性。例如,在数据加载方面,它提供了统一的接口来加载各种格式的文档,如 PDF、TXT 等,使得开发者无需关注底层的文件读取细节,专注于业务逻辑的实现。

(二)任务编排

任务编排是 LangChain 的关键功能之一。它允许开发者将复杂的任务分解为多个简单的子任务,并按照特定的顺序和逻辑进行组合和调度。这种方式不仅提高了任务处理的灵活性和可扩展性,还使得代码结构更加清晰和易于维护。开发者可以根据实际需求,轻松地添加、删除或修改子任务,以适应不同的应用场景。例如,在构建一个智能问答系统时,可以将问题解析、文档检索、模型回答生成等任务进行合理编排,实现高效准确的问答功能。

(三)可观察性和评估

LangChain 提供了强大的可观察性和评估功能,帮助开发者深入了解应用程序的运行状态和性能表现。通过详细的日志记录、指标监控和可视化工具,开发者可以实时跟踪任务执行过程中的各个环节,及时发现和解决潜在问题。同时,LangChain 还支持对模型性能的评估,提供了多种评估指标和方法,帮助开发者优化模型选择和参数调整,以提高应用程序的质量和效果。

二、官方示例解析

(一)实现功能概述

通过 LangChain 官方提供的示例,我们可以构建一个简单而实用的 PDF 文档内容搜索应用。该应用主要实现了以下几个关键功能: (https://python.langchain.com/docs/tutorials/retrievers/)

  1. PDF 文件导入与解析:支持用户导入一个 PDF 文件,并能够准确地解析该文件,按照页面将其拆分为多个文档内容片段,为后续处理提供基础数据。
  2. 分词处理:利用分词器对解析后的文档内容进行分词操作,将文本拆分成不同的字符或词语,以便更好地理解和处理文本语义。
  3. 向量化处理:把分词后的字符输入到大模型的 embedding 模块中,将文本转换为向量表示。这种向量表示能够捕捉文本的语义特征,为后续的文档内容搜索提供高效的匹配基础。
  4. 内存存储与搜索:将得到的向量数据存入机器内存,构建一个快速的文档索引。在用户发起搜索请求时,能够在内存中快速查找与搜索内容相关的文档片段,并返回匹配结果。
Created with Raphaël 2.3.0 开始 导入PDF文件 解析PDF文件 分词处理 向量化 存入内存 搜索文档内容 结束

(二)代码详细解读

  1. 导入必要的库和模块
!pip install langchain
!pip install -qU langchain-openai
!pip install langchain-community pypdf
!pip install volcengine
!pip install fastembed
!pip install -qU langchain-corefrom langchain_community.embeddings import VolcanoEmbeddings, FastEmbedEmbeddings
from langchain_community.document_loaders import PyPDFLoader
from langchain_text_splitters import RecursiveCharacterTextSplitter
from langchain_openai import OpenAIEmbeddings
import getpass
import os
from langchain_core.vectorstores import InMemoryVectorStore
  • langchain_communitylangchain_text_splitters中导入了与嵌入(embedding)、文档加载、文本分割相关的类和函数。
  • 导入getpassos模块,用于处理密码输入(在实际应用中可能用于获取某些敏感信息,如 API 密钥等)和操作系统相关操作。
  • langchain_core.vectorstores导入InMemoryVectorStore,用于在内存中存储向量数据。
  1. 定义save函数
def save(embeddings):vector_store = InMemoryVectorStore(embeddings)vector_store.add_documents(documents=all_splits)return vector_store
  • 该函数接受一个嵌入对象(embeddings)作为参数,创建一个内存向量存储对象(vector_store)。
  • 然后将之前分割好的文档内容(all_splits)添加到向量存储中,最后返回存储对象,以便后续进行搜索操作。
  1. 定义embedding函数
def embedding(all_splits):fastembed = FastEmbedEmbeddings()for split in all_splits:v = fastembed.embed_query(split.page_content)return fastembed
  • 函数内部首先实例化了FastEmbedEmbeddings对象,用于进行文本向量化操作。
  • 然后遍历输入的文档片段列表(all_splits),对每个片段的页面内容(split.page_content)调用embed_query方法进行向量化,得到向量表示(v)。虽然代码中没有对向量v进行进一步处理,但在实际应用中,可以根据需求对向量进行存储、分析或其他操作。最后返回FastEmbedEmbeddings对象,这里可能需要根据具体情况调整返回值,以确保后续操作能够正确使用向量化结果。
  1. 定义text_splitter函数
def text_splitter(docs):text_splitter = RecursiveCharacterTextSplitter(chunk_size=50, chunk_overlap=10, add_start_index=True)all_splits = text_splitter.split_documents(docs)return all_splits
  • 此函数创建了一个RecursiveCharacterTextSplitter对象,用于对文档进行文本分割。设置了chunk_size为 50,表示每个文本块的大小为 50 个字符;chunk_overlap为 10,即相邻文本块之间有 10 个字符的重叠,这有助于保留上下文信息;add_start_index=True会为每个分割后的文本块添加起始索引,方便后续处理。
  • 然后使用创建的分割器对输入的文档(docs)进行分割,得到分割后的所有文本片段列表(all_splits),并将其返回。
  1. 定义loader_pdf函数
def loader_pdf(file_path):loader = PyPDFLoader(file_path)docs = loader.load()return docs
  • 该函数接受一个文件路径(file_path)作为参数,使用PyPDFLoader类加载指定路径的 PDF 文件。
  • 调用load方法获取 PDF 文件的文档内容,以特定的数据结构(通常是包含页面信息等的对象列表)返回,以便后续进行文本分割等操作。
  1. 主程序部分(if __name__ == '__main__':
if __name__ == '__main__':file_path = "./ragflow.pdf"docs = loader_pdf(file_path)all_splits = text_splitter(docs)emb = embedding(all_splits)store = save(emb)results = store.similarity_search_with_score("docker的配置是什么?")print(results)doc, score = results[0]print(f"Score: {score}\n")print(doc)
  • 首先指定了要处理的 PDF 文件路径为"./ragflow.pdf"
  • 调用loader_pdf函数加载该 PDF 文件,得到文档内容对象列表(docs)。
  • docs传入text_splitter函数进行文本分割,得到分割后的文本片段列表(all_splits)。
  • 接着将all_splits传递给embedding函数进行向量化处理,得到向量化结果(emb),虽然前面提到embedding函数的返回值可能需要调整,但在这里继续按照原代码逻辑进行分析。
  • 使用save函数将向量化结果保存到内存向量存储中,得到存储对象(store)。
  • 最后,使用storesimilarity_search_with_score方法发起搜索请求,查询与 “docker 的配置是什么?” 相关的文档内容。搜索结果以包含文档对象和相似度得分的列表形式返回(results),打印出整个搜索结果列表、得分最高的文档对象及其得分和页面内容。

(三)结果分析

从示例代码的运行结果来看,成功地从 PDF 文档中检索到了与 “docker 的配置是什么?” 相关的内容片段,并返回了相应的文档对象及其相似度得分。例如,返回的第一个结果中,文档内容为 “修改镜像源,修改源码中 docker/.env 下的 RAGFLOW_IMAGE”,其相似度得分为 0.7718820230937209,表明该片段与搜索问题具有较高的相关性。这初步验证了应用程序在文档内容搜索方面的功能有效性,但也可以进一步优化和扩展,如提高搜索结果的准确性、增加更多的查询功能等。

三、进一步优化与拓展

(一)性能优化

  1. 文本分割策略调整
    • 当前的文本分割参数(chunk_size=50, chunk_overlap=10)可能并不适用于所有类型的 PDF 文档。对于一些内容复杂、语义连贯性强的文档,较小的chunk_size可能会破坏文本的语义完整性,导致向量化后的向量不能很好地表示文本的含义。可以尝试增大chunk_size,同时适当调整chunk_overlap,以平衡文本块大小和上下文保留。例如,对于技术文档或长篇文章,可以将chunk_size设置为 200 - 500,chunk_overlap设置为 50 - 100,通过实验找到最佳的参数组合。
    • 除了基于字符长度的分割方式,还可以考虑结合语义分析进行更智能的文本分割。例如,使用自然语言处理技术识别句子边界、段落结构,根据语义逻辑将文本划分为更有意义的片段。这样可以提高向量化的准确性,进而提升搜索效果。
  2. 向量化模型选择与优化
    • 示例中使用了FastEmbedEmbeddings进行向量化,但不同的嵌入模型在不同的应用场景下性能表现各异。可以尝试其他可用的嵌入模型,如OpenAIEmbeddings(如果有访问权限)或其他开源的嵌入模型,对比它们在该文档集上的向量化效果和搜索性能,选择最适合的模型。
    • 对于选定的向量化模型,深入研究其参数设置和优化方法。例如,调整向量维度、学习率(如果适用)、训练轮数(如果可以进行微调)等参数,以提高模型对文本语义的捕捉能力,从而改善搜索结果的质量。

(二)功能拓展

  1. 多文档支持与索引构建
    • 当前示例仅处理单个 PDF 文档,在实际应用中,往往需要对多个文档进行搜索和管理。可以扩展代码,使其能够支持批量导入多个 PDF 文件,并将它们的向量数据整合到一个统一的索引中。这样用户就可以在多个文档的范围内进行全面的内容搜索,提高搜索的全面性和准确性。
    • 为了提高搜索效率,可以考虑使用更高级的索引结构,如倒排索引或基于树的索引(如 B 树、KD 树等)来存储向量数据。这些索引结构能够加速搜索过程,特别是在处理大规模文档集时,能够显著提高搜索性能。
  2. 查询优化与扩展
    • 目前的查询功能相对简单,仅支持基于关键词的精确匹配搜索。可以引入自然语言处理技术,如语义理解、意图识别等,对用户的查询进行预处理和优化。例如,当用户输入一个自然语言问题时,先对其进行语义解析,提取关键语义信息,然后再进行向量搜索,这样可以提高搜索的准确性和灵活性。
    • 增加查询结果的排序和筛选功能。除了根据相似度得分对搜索结果进行排序外,还可以根据文档的其他属性(如发布时间、文档类型、重要性级别等)进行排序。同时,提供筛选条件,让用户能够根据自己的需求筛选出特定类型或时间段内的文档。
  3. 可视化展示
    • 为了提升用户体验,可以将搜索结果以更直观的方式展示给用户。例如,开发一个简单的用户界面,在界面上显示搜索结果的摘要、相关度得分、文档来源等信息,并提供链接或预览功能,方便用户直接查看文档内容。
    • 对于文档内容的展示,可以进行格式化处理,使其更易于阅读。例如,对于 PDF 文档中的表格、图片等元素,可以尝试提取并以合适的方式展示在界面上,提高文档内容的可视化效果。

(三)错误处理与稳定性增强

  1. 异常处理机制完善
    • 在代码的各个关键环节(如文件加载、文本分割、向量化、搜索等)添加更全面的异常处理机制。例如,当文件不存在或无法正确解析时,给出友好的错误提示,而不是让程序直接崩溃。同样,在向量化过程中,如果遇到模型调用失败或其他异常情况,能够及时捕获并处理,确保程序的稳定性。
    • 对于网络相关的操作(如果涉及到远程模型或服务),增加网络异常处理,如处理超时、连接中断等情况,提高程序在不稳定网络环境下的鲁棒性。
  2. 资源管理与优化
    • 在处理大型 PDF 文档或大量文档集时,注意合理管理系统资源,避免内存溢出等问题。例如,在文本分割和向量化过程中,可以采用流式处理或分批处理的方式,减少一次性加载的数据量,降低内存压力。
    • 及时释放不再使用的资源,如关闭文件句柄、清理临时变量等,确保系统资源的有效利用,提高程序的长期稳定性和性能。

通过以上对 LangChain 的深入解析、示例代码的详细解读以及进一步的优化和拓展建议,希望能够帮助读者更好地理解和应用 LangChain 框架,开发出更强大、高效和稳定的基于大语言模型的应用程序。在实际开发过程中,需要根据具体的需求和场景,灵活运用这些知识和技术,不断优化和改进应用程序的性能和功能。

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