17-第一节 格式化生成

第一节 格式化生成

从大语言模型（LLM）那里获得一段非结构化的文本在应用中常常不满足实际需求。为了实现更复杂的逻辑、与外部工具交互或以用户友好的方式展示数据，需要模型能够输出具有特定结构的数据，例如 JSON 或 XML。

本节将讨论实现格式化生成的几种主流方法，包括 LangChain、LlamaIndex 等框架内置的解决方案，不依赖框架的实现思路，以及一种更强大的技术——Function Calling。

在生成阶段，提示词工程也是一个重要的部分。但是因为在前面几个章节中已经有了比较多的介绍，所以本章就不再赘述了。

一、为什么需要格式化生成？

想象以下场景：

• RAG 驱动的电商客服：当用户询问“推荐几款适合程序员的键盘”时，我们希望 LLM 返回一个包含产品名称、价格、特性和购买链接的 JSON 列表，而不是一段描述性文字，以便前端直接渲染成商品卡片。
• 自然语言转 API 调用：用户说“帮我查一下明天从上海到北京的航班”，系统需要将这句话解析成一个结构化的 API 请求，如 {"departure": "上海", "destination": "北京", "date": "2025-07-18"}。
• 数据自动提取：从一篇新闻文章中，自动抽取出事件、时间、地点、涉及人物等关键信息，并以结构化形式存入数据库。

在这些场景中，格式化生成是连接 LLM 的自然语言理解能力和下游应用程序的程序化逻辑之间的关键。

二、格式化生成的实现方法

2.1 Output Parsers

LangChain 提供了一个强大的组件——OutputParsers（输出解析器），专门用于处理 LLM 的输出。它的核心思想是：

1. 提供格式指令：在发送给 LLM 的提示（Prompt）中，自动注入一段关于如何格式化输出的指令。
2. 解析模型输出：接收 LLM 返回的纯文本字符串，并将其解析成预期的结构化数据（如 Python 对象）。

LangChain 提供了多种开箱即用的解析器，例如：

• StrOutputParser：最基础的输出解析器，它简单地将 LLM 的输出作为字符串返回。
• JsonOutputParser：可以解析包含嵌套结构和列表的复杂 JSON 字符串。
• PydanticOutputParser：通过与 Pydantic 模型结合，可以实现对输出格式最严格的定义和验证。

接下来通过一个具体的代码示例，重点分析 PydanticOutputParser 的工作原理。它通过将用户定义的 Pydantic 数据模型转换为详细的格式指令，并注入到提示词中，来引导 LLM 生成严格符合该数据结构的 JSON 输出。最后再将模型返回的 JSON 字符串安全地解析为 Pydantic 对象实例。

# (此处省略了导入和 LLM 初始化代码)

# 1. 定义期望的数据结构
class PersonInfo(BaseModel):
    """用于存储个人信息的数据结构。"""
    name: str = Field(description="人物姓名")
    age: int = Field(description="人物年龄")
    skills: List[str] = Field(description="技能列表")

# 2. 基于 Pydantic 模型，创建解析器
parser = PydanticOutputParser(pydantic_object=PersonInfo)

# 3. 创建提示模板，注入格式指令
prompt = PromptTemplate(
    template="请根据以下文本提取信息。\n{format_instructions}\n{text}\n",
    input_variables=["text"],
    partial_variables={"format_instructions": parser.get_format_instructions()},
)

# 4. 创建处理链 (假定 llm 已被初始化)
chain = prompt | llm | parser

# 5. 执行调用
text = "张三今年30岁，他擅长Python和Go语言。"
result = chain.invoke({"text": text})

# 6. 打印结果
print(result)
# name='张三' age=30 skills=['Python', 'Go语言']

1. 定义数据模型：使用 Pydantic 的 BaseModel 定义 PersonInfo 类，这不仅是一个 Python 对象，更是一个清晰的数据结构规范（Schema）。Field 中的 description 描述文本将直接作为指令提供给大模型，因此其表述需要清晰准确。

2. 生成格式指令：当 PydanticOutputParser 实例化后，其 get_format_instructions() 方法会执行以下操作：

   • 调用 Pydantic 模型的 .model_json_schema() 方法，提取出该数据结构的 JSON Schema 定义。
   • 对该 Schema 进行简化，并将其嵌入到一个预设的、指导性的提示模板中。这个模板明确要求 LLM 输出一个符合该 Schema 的 JSON 对象。

3. 构建并执行调用链：通过 LangChain 表达式语言（LCEL），将 prompt、llm 和 parser 链接起来。当调用链被触发时：

   • prompt 会将用户输入（text）和上一步生成的格式指令（format_instructions）组合成最终的提示，发送给 llm。
   • llm 根据这个包含严格格式要求的提示，生成一个 JSON 格式的字符串。

4. 解析与验证：PydanticOutputParser 接收到 LLM 返回的字符串后，会执行一个两步解析过程：

   • 首先，它继承自 JsonOutputParser，会将 LLM 输出的文本字符串解析成一个 Python 字典。
   • 然后，最关键的一步，它会使用 PersonInfo.model_validate() 方法，用定义的数据模型来验证这个字典。如果字典的键和值类型都符合 PersonInfo 的定义，解析器就会返回一个 PersonInfo 的实例对象；如果验证失败，则会抛出一个 OutputParserException 异常。

完整代码

2.2 LlamaIndex 的输出解析

LlamaIndex 的输出解析与生成过程紧密结合，主要体现在两大核心组件中：响应合成（Response Synthesis）和结构化输出（Structured Output）。

1. 响应合成

   在 RAG 流程中，检索器召回一系列相关的文本块（Nodes）后，并不是简单地将它们拼接起来。响应合成器（Response Synthesizer）负责接收这些文本块和原始查询，并以一种更智能的方式将它们呈现给 LLM 以生成最终答案。例如，它可以逐块处理信息并迭代地优化答案（refine 模式），或者将尽可能多的文本块压缩进单次 LLM 调用中（compact 模式）。这个阶段的默认目标是生成一段高质量的文本回答。

2. *结构化输出*

   当需要 LLM 返回结构化数据（如 JSON）而非纯文本时，LlamaIndex 主要使用 Pydantic 程序（Pydantic Programs）。这与 LangChain 的 PydanticOutputParser 思想一致：

   • 定义 Schema：开发者首先定义一个 Pydantic 模型，明确所需输出的数据结构、字段和类型。
   • 引导生成：LlamaIndex 会将这个 Pydantic 模型转换成 LLM 能理解的格式指令。如果底层的 LLM 支持 Function Calling，LlamaIndex 会优先使用该功能以获得更可靠的结构化输出。如果不支持，它会回退到将 JSON Schema 注入到提示词中的方法。
   • 解析验证：最后，LLM 返回的输出会被自动解析并用 Pydantic 模型进行验证，确保其类型和结构完全正确，最终返回一个 Pydantic 对象实例。

2.3 不依赖框架的简单实现思路

如果你不想依赖特定的框架，也可以通过提示工程（Prompt Engineering）的技巧来实现格式化生成。

主要思路是在提示中给出清晰、明确的指令和示例。以下是一些实用技巧：

• 明确要求 JSON 格式：在提示中直接、强硬地要求模型“必须返回一个 JSON 对象”、“不要包含任何解释性文字，只返回 JSON”。
• 提供 JSON Schema：在提示中给出你想要的 JSON 对象的模式（Schema），描述每个键的含义和数据类型。
• 提供 few-shot 示例：给出 1-2 个“用户输入 -> 期望的 JSON 输出”的完整示例，让模型学习输出的格式和风格。
• 使用语法约束：对于一些本地部署的开源模型（如通过 llama.cpp 运行的模型），可以使用 GBNF (GGML BNF) 等语法文件来强制约束模型的输出，确保其生成的每一个 token 都严格符合预定义的 JSON 语法。这是最严格也是最可靠的非 Function Calling 方法。

三、Function Calling

Function Calling（或称 Tool Calling）是近年来 LLM 领域的一个重要进展，提升了模型与外部世界交互和生成结构化数据的能力。

3.1 概念与工作流程

Function Calling 的本质是一个多轮对话流程，让模型、代码和外部工具（如 API）协同工作。其核心工作流如下：

1. 定义工具：首先，在代码中以特定格式（通常是 JSON Schema）定义好可用的工具，包括工具的名称、功能描述、以及需要的参数。
2. 用户提问：用户发起一个需要调用工具才能回答的请求。
3. 模型决策：模型接收到请求后，分析用户的意图，并匹配最合适的工具。它不会直接回答，而是返回一个包含 tool_calls 的特殊响应。这个响应相当于一个指令：“请调用某某工具，并使用这些参数”。
4. 代码执行：应用接收到这个指令，解析出工具名称和参数，然后在代码层面实际执行这个工具（例如，调用一个真实的天气 API）。
5. 结果反馈：将工具的执行结果（例如，从 API 获取的真实天气数据）包装成一个 role 为 tool 的消息，再次发送给模型。
6. 最终生成：模型接收到工具的执行结果后，结合原始问题和工具返回的信息，生成最终的、自然的语言回答。

3.2 Function Calling 实践

接下来，直接使用 openai 的例子，来展示上述流程。

# 1. 定义工具
tools = [...] 

# 2. 用户提问
messages = [{"role": "user", "content": "杭州今天天气怎么样？"}]
message = send_messages(messages, tools=tools)

# 3. 代码执行：模拟调用天气API，并将结果添加到消息历史
if message.tool_calls:
    tool_call = message.tool_calls[0]
    messages.append(message) # 添加模型的回复
    tool_output = "24℃，晴朗" # 模拟API结果
    messages.append({
        "role": "tool", 
        "tool_call_id": tool_call.id, 
        "content": tool_output
    }) # 添加工具执行结果

    # 4. 第二次调用 (`Tool -> Model`)：将工具结果返回给模型，获取最终回答
    final_message = send_messages(messages, tools=tools)
    print(final_message.content)

关键步骤：

1. 定义 tools：用一个列表包含了所有可用的函数定义。每个定义都是一个 JSON 对象，严格描述了函数的名称 (name)、功能 (description) 和参数 (parameters)。这个描述的质量直接决定了模型能否正确选择和使用工具。
2. 第一次调用 (User -> Model)：将用户的原始问题（"role": "user"）和 tools 列表一同发送给模型。
3. 处理 tool_calls：检查模型的响应中是否包含 tool_calls。如果包含，就说明模型决定使用工具。解析出函数名和参数，并模拟执行（在真实场景中，这里会是真实的 API 调用）。
4. 第二次调用 (Tool -> Model)：将原始的用户问题、模型的工具调用响应，以及模拟执行后得到的工具结果（"role": "tool"），一同打包成新的对话历史，再次发送给模型。
5. 获取最终答案：模型在看到工具的执行结果后，就能用自然语言回答用户最初的问题了。

完整代码

3.3 Function Calling 的优势

相比于单纯通过提示工程“请求”模型输出 JSON，Function Calling 的优势在于：

• 可靠性更高：这是模型原生支持的能力，相比于解析可能格式不稳定的纯文本输出，这种方式得到的结构化数据更稳定、更精确。
• 意图识别：它不仅仅是格式化输出，更包含了“意图到函数的映射”。模型能根据用户问题主动选择最合适的工具。
• 与外部世界交互：它是构建能执行实际任务的 AI 代理（Agent）的核心基础，让 LLM 可以查询数据库、调用 API、控制智能家居等。