LangChain大模型应用开发指南-AI大模型衍生的新能力
上节课，我以传统应用编程设计模式和思维为入口和对比对象，介绍了LangChain中的Chain、Agent、Callback三大核心概念，并整理了LangChain为众多开发者内置的能力与工具。没有看过的小伙伴可以点击链接查看： AI课程合集
今天我将为大家介绍LangChain基于AI大模型衍生的新能力，Model I/O、Retrieval、和Memory。
组件总览
大家看完今天的文章后，可以回头再来看下LangChain的组件与架构图，就能从全局的角度基本理清LangChain的组件与抽象层以及它们之间的相关联系。
本篇文章主要介绍LangChain基于AI大模型衍生的新能力，本次课程整体提纲如下:
Model I/O -交互而非IO
传统的应用开发通常需要定义好输入输出（IO）的格式和规范，例如文本、图像、音频、视频等。这样做的好处是可以保证数据的一致性和可解释性，但也带来了一些限制和不便，例如需要对数据进行预处理和后处理，需要适配不同的设备和平台，需要考虑用户的习惯和偏好等。
LangChain则提供了一种新的方式：Model I/O，即直接与模型进行交互，而不需要关心IO的细节。你可以把它想象成我们日常交流时使用的嘴巴和耳朵。如上图所示，Model I/O有三种类型：
| 类型 | 作用 |
|---|---|
| Prompts | 用于向语言模型提供输入的模板，它们可以定义输入变量，输出格式，部分变量等，以便生成符合用户需求的文本 |
| Language models | 用于人工智能模型的参数自定义，它们可以根据不同的参数（如温度，最大长度，前缀等）产生不同风格和内容的文本 |
| Output parsers | 用于将语言模型的输出解析为更结构化的信息的类如JSON、XML |
Model I/O的核心思想是利用AI大模型强大的自然语言理解和生成能力，将任何形式的输入转换为自然语言，然后将自然语言输入到模型中，得到自然语言的输出，再将自然语言转换为任何形式的输出。这样做的好处是可以简化应用开发流程，提高用户体验，增加应用场景和功能。
如下是一个提供了多个角色对话内容的Model I/O交互示例：
ini
from langchain.prompts import ChatPromptTemplate
template = ChatPromptTemplate.from_messages([
("system", "You are a helpful AI bot. Your name is {name}."),
("human", "Hello, how are you doing?"),
("ai", "I'm doing well, thanks!"),
("human", "{user_input}"),
])
messages = template.format_messages(
name="Bob",
user_input="What is your name?"
)Retrieval -检索而非查询
传统的应用开发通常需要定义好查询（Query）的格式和规范，例如关键词、标签、分类等。这样做的好处是可以保证查询的准确性和有效性，但也带来了一些限制和不便，例如需要对查询进行规范化和优化，需要适配不同的数据源和接口，需要考虑用户的意图和需求等。
LangChain则提供了一种新的方式：Retrieval，即定义好数据源以及加载方式后，直接从模型中检索（Retrieve）所需的信息，而不需要关心查询的细节。你可以把它想象成语言模型使用搜索引擎来查找相关内容。如上图所示，我们可以将Retrieval的能力划分为以下几个部分：
| 能力 | 作用 |
|---|---|
| Document loaders | 从不同的来源加载文档，支持多种文档类型和位置 |
| Document transformers | 对文档进行变换，提取相关的部分，分割成小块 |
| Text embedding models | 为文档创建语义嵌入，实现快速有效的相似度搜索 |
| Vector stores | 存储和检索嵌入向量，支持多种数据库类型和接口 |
| Retrievers | 从数据库中检索数据，支持多种检索算法和优化方法 |
Retrieval是LangChain中最重要的组件之一，它可以让语言模型拥有更丰富和更准确的上下文。Retrieval通过利用AI大模型强大的知识库和语义理解能力，能够将任何形式的查询转换为自然语言，然后将自然语言输入到模型中，得到自然语言的答案，再将自然语言转换为任何形式的输出。
如下是一个MultiQueryRetriever的使用示例：
ini
# Build a sample vectorDB
from langchain.vectorstores import Chroma
from langchain.document_loaders import WebBaseLoader
from langchain.embeddings.openai import OpenAIEmbeddings
from langchain.text_splitter import RecursiveCharacterTextSplitter
# Load blog post
loader = WebBaseLoader("https://lilianweng.github.io/posts/2023-06-23-agent/")
data = loader.load()
# Split
text_splitter = RecursiveCharacterTextSplitter(chunk_size=500, chunk_overlap=0)
splits = text_splitter.split_documents(data)
# VectorDB
embedding = OpenAIEmbeddings()
vectordb = Chroma.from_documents(documents=splits, embedding=embedding)Memory -记忆而非存储
传统的应用开发通常需要定义好存储（Storage）的格式和规范，例如数据库、文件、缓存等。这样做的好处是可以保证数据的安全性和可靠性，但也带来了一些限制和不便，例如需要对数据进行备份和恢复，需要适配不同的存储系统和协议，需要考虑用户的隐私和权限等。
LangChain则提供了一种新的方式：Memory，即直接利用模型的记忆（Memory）能力。Memory是LangChain中用于存储和更新上下文的组件，它可以让语言模型记住之前的信息和状态。你可以把它想象成语言模型的大脑，它可以存储短期记忆和长期记忆。根据不同的使用场景，LangChain内部定义的Memory有以下类型：
| 类型 | 作用 |
|---|---|
| Conversation Buffer | 用于存储对话中的所有消息和元数据的内存，它可以返回一个列表，包含对话中的每个消息和其相关的信息，如发送者，接收者，时间戳等 |
| Conversation Buffer Window Entity | 用于从对话缓冲区中提取特定窗口大小内的实体的内存，它可以返回一个字典，包含窗口内出现的实体及其频率，类型和位置 |
| Conversation Knowledge Graph | 用于构建和更新对话中涉及的实体和关系的知识图谱的内存，它可以返回一个图结构，包含节点（实体）和边（关系），以及一些统计信息，如图的大小，密度，聚类系数等 |
| Conversation Summary | 用于生成对话的摘要的内存，它可以返回一个字符串，包含对话的主要内容和目标 |
| Conversation Summary Buffer | 用于存储对话摘要的内存，它可以返回一个列表，包含对话摘要的每个句子和其相关的信息，如生成时间，置信度等 |
| Conversation Token Buffer | 用于存储对话中的所有单词和标点符号的内存，它可以返回一个列表，包含对话中的每个单词或标点符号及其相关的信息，如词性，命名实体类型等 |
| Vector Store | 用于将对话中的文本或实体转换为向量表示，并进行相似度计算或聚类分析的内存，它可以返回一个矩阵，包含对话中每个文本或实体的向量表示，以及一些度量值，如余弦相似度，欧氏距离等 |
Memory的核心思想是利用AI大模型强大的参数和数据容量，将任何形式的数据转换为自然语言，并将其作为模型的输入或输出。这样做的好处是可以简化应用开发流程，提高数据处理速度，增加数据来源和质量。
如下是在链中中使用memory的示例：
ini
from langchain.llms import OpenAI
from langchain.prompts import PromptTemplate
from langchain.chains import LLMChain
from langchain.memory import ConversationBufferMemory
llm = OpenAI(temperature=0)
# Notice that "chat_history" is present in the prompt template
template = """You are a nice chatbot having a conversation with a human.
Previous conversation:
{chat_history}
New human question: {question}
Response:"""
prompt = PromptTemplate.from_template(template)
# Notice that we need to align the `memory_key`
memory = ConversationBufferMemory(memory_key="chat_history")
conversation = LLMChain(
llm=llm,
prompt=prompt,
verbose=True,
memory=memory
)总结
本文以传统应用编程设计模式和思维为对比对象，介绍了LangChain基于AI大模型衍生出的三种新的能力：Model I/O、Retrieval和Memory，它们分别解决了传统AI应用开发中遇到的IO、Query和Storage方面的问题和挑战。通过利用这些能力，应用开发者可以开发出更简单、更高效、更创新的AI应用。
通过本文的指导，读者可以迭代在传统应用编程中累积的思维方式和经验，充分利用了AI大模型衍生的新能力的创新应用。
下一节课我们将整合前两节课所讲述的LangChain六大核心概念和组件，提供一个贯穿所有环节的实际应用示例，请大家持续关注。