LangChain 框架深入解析

作者：CSDN博客
目录
前言
一、LangChain 框架概述
1. 设计理念与核心思想
2. 主要功能与特性
3. 应用场景分析
二、核心组件
三、工作原理
四、Langchain安装
五、LangSmith
1. 简介
2. 获取方式
六、Langchain支持的模型
七、案例
1. Langchian实现LLM应用程序
2. Langchian构建聊天机器人
总结

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前言

LangChain是一个强大的框架，旨在帮助开发人员使用语言模型构建端到端的应用程序。它提供了一套工具、组件和接口，可简化创建由大型语言模型 (LLM) 和聊天模型提供支持的应用程序的过程。LangChain 可以轻松管理与语言模型的交互，将多个组件链接在一起，并集成额外的资源，例如 API 和数据库。
Langchain使用理由:
1.数据连接:Langchain 允许你将大型语言模型连接到你自己的数据源，比如数据库、PDF文件或其他文档。这意味着你可以使模型从你的私有数据中提取信息。
2.行动执行:不仅可以提取信息，Langchain 还可以帮助你根据这些信息执行特定操作，如发送邮件。

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一、LangChain 框架概述

1. 设计理念与核心思想

LangChain 的设计理念是通过链式结构将大型语言模型（LLM）与外部数据源、工具和计算逻辑相结合，以构建复杂且功能强大的自然语言处理应用。其核心思想包括：

    模块化设计：将复杂的任务拆分为多个可重用、可组合的模块，使得开发者可以灵活地搭建和扩展应用功能。    链式调用：通过定义一系列相互关联的“链”，使数据和处理逻辑能够按照特定的顺序和规则流转，形成清晰的执行路径。    上下文记忆：引入记忆机制，允许模型在对话或任务过程中保留和利用先前的信息，提高交互的连贯性和智能性。    灵活集成：提供开放的接口和适配层，方便与各种外部工具、API 和数据源进行集成，扩展应用的能力范围。

2. 主要功能与特性

Chains（链）：核心组件，用于串联不同的处理步骤，可以是简单的顺序执行，也可以包含复杂的条件和循环逻辑。Memory（记忆）：支持短期和长期记忆，允许在任务或会话中存储和检索信息，增强模型的上下文理解能力。Prompt Templates（提示模板）：提供灵活的模板系统，支持参数化和动态生成，方便构建适合不同场景的模型输入。Agents（代理）：智能决策模块，能够根据当前状态和目标，动态选择和调用适当的工具或动作来完成任务。Tools（工具）：可执行的功能单元，封装了具体的操作，如查询数据库、调用 API、执行计算等，供代理和链调用。LLMs（大型语言模型）集成：与各种主流的大型语言模型无缝对接，支持 OpenAI、Hugging Face 等平台，方便模型的替换和比较。数据连接器：预置了对常见数据源的支持，如文件系统、数据库、网络请求等，方便数据的获取和存储。

3. 应用场景分析

智能对话机器人：利用记忆和链式调用，实现上下文连贯、逻辑清晰的多轮对话，提高用户交互体验。知识问答系统：结合大型语言模型和外部知识库，提供准确、高效的问答服务，适用于客服、教育等领域。自动化任务执行：通过代理和工具的协作，完成如数据处理、报告生成、信息检索等复杂的自动化任务。内容生成与创作：利用提示模板和模型能力，生成文章、摘要、代码等多种形式的内容，辅助创作和生产力提升。数据分析与决策支持：集成数据源和分析工具，提供智能的数据解读和决策建议，应用于商业分析、科学研究等。多语言翻译与处理：支持多语言模型，处理翻译、跨语言信息检索等任务，促进全球化交流和合作。情感分析与意见挖掘：分析文本或语音中的情感倾向和观点，为市场调研、舆情监控提供支持。个性化推荐系统：根据用户历史和偏好，提供定制化的内容或产品推荐，增强用户黏性和满意度。

二、核心组件

1）Compents组件：为LLMs提供接口封装、模板提示和信息检索索引。
2）Chains链：将不同的组件组合起来解决特定的任务，比如在大量文本中查找信息。
3）Agents代理：它们使得LLMs能够与外部环境进行交互，例如通过API请求执行操作。

Langchain核心
1.模型models：包装器允许你连接到大型语言模型，如 GPT-4 或 Hugging Face 也包括GLM提供的模型。
2.Prompt Templates：这些模板让你避免硬编码文本输入。你可以动态地将用户输入插入到模板中，并发送给语言模型。
3.Chains：链允许你将多个组件组合在一起，解决特定的任务，并构建完整的语言模型应用程序。
4.Agents：代理允许语言模型与外部API交互。
5.Embedding 嵌入与向量存储 VectorStore 是数据表示和检索的手段，为模型提供必要的语言理解基础。
6.Indexes：索引帮助你从语言模型中提取相关信息。

三、工作原理

上图展示了Langchain的工作原理，这是一个用于提升大型语言模型（LLMs）功能的框架。
它通过三个核心组件实现增强：

首先是 Compents“组件”，为LLMs提供接口封装、模板提示和信息检索索引；其次是 Chains“链”，它将不同的组件组合起来解决特定的任务，比如在大量文本中查找信息；最后是 Agents“代理”，它们使得LLMs能够与外部环境进行交互，例如通过API请求执行操作。

Langchain 的这种结构设计使LLMs不仅能够处理文本，还能够在更广泛的应用环境中进行操作和响应，大大扩展了它们的应用范围和有效性。

上图展示了一个复杂的语言处理系统，其中包含模型、提示、链、代理和嵌入与向量存储。

模型 Models 负责理解和生成语言，提示用于引导模型输出；链条 Chains 代表将多个步骤串联起来完成复杂任务的过程；代理 Agents 则用于让模型与外部环境互动，比如执行API调用。Embedding 嵌入与向量存储 VectorStore 是数据表示和检索的手段，为模型提供必要的语言理解基础。

图中的鹦鹉是一个比喻或者象征，表示这个系统的自然语言处理能力，或者可能暗示系统的输出可以像鹦鹉一样“复述”或者是“回应”用户的输入。如此，这整个系统构成了一个高度集成的框架，能够处理高级语言任务并在多种环境下进行动态交互。

四、Langchain安装

1. pip install langchain
2. pip install langchain-openai

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五、LangSmith

1. 简介

LangSmith 是一个用于构建生产级 LLM 应用程序的平台。它可以让您调试、测试、评估和监控基于任何LLM框架构建的链和智能代理，并与LangChain无缝集成，LangChain是使用LLM构建的首选开源框架。

LangSmith是一个用于构建生产级 LLM 应用程序的平台，它提供了调试、测试、评估和监控基于任何 LLM 框架构建的链和智能代理的功能，并能与 LangChain 无缝集成。其主要作用包括：
1.调试与测试：通过记录langchain构建的大模型应用的中间过程，开发者可以更好地调整提示词等中间过程，优化模型响应。
2.评估应用效果：langsmith可以量化评估基于大模型的系统的效果，帮助开发者发现潜在问题并进行优化。
3.监控应用性能：实时监控应用程序的运行情况，及时发现异常和错误，确保其稳定性和可靠性。
4.数据管理与分析：对大语言模型此次的运行的输入与输出进行存储和分析，以便开发者更好地理解模型行为和优化应用。
5.团队协作：支持团队成员之间的协作，方便共享和讨论提示模板等。
6.可扩展性与维护性：设计时考虑了应用程序的可扩展性和长期维护，允许开发者构建可成长的系统。
LangSmith是LangChain的一个子产品，是一个大模型应用开发平台。它提供了从原型到生产的全流程工具和服务，帮助开发者构建、测试、评估和监控基于LangChain或其他 LLM 框架的应用程序。

2. 获取方式

登录并且获取LangSmish的API key：https://smith.langchain.com/settings

六、Langchain支持的模型

1. # 部分举例
2. #OpenAI
3. pip install -qU langchain-openai
4. import getpass
5. import os
6. os.environ["OPENAI_API_KEY"] = getpass.getpass()
7. from langchain_openai import ChatOpenAI
8. model = ChatOpenAI(model="gpt-4")
10. #Anthropic
11. pip install -qU langchain-anthropic
12. import getpass
13. import os
14. os.environ["ANTHROPIC_API_KEY"] = getpass.getpass()
15. from langchain_anthropic import ChatAnthropic
16. model = ChatAnthropic(model="claude-3-sonnet-20240229")
18. #Google
19. pip install -qU langchain-google-vertexai
20. import getpass
21. import os
22. os.environ["GOOGLE_API_KEY"] = getpass.getpass()
23. from langchain_google_vertexai import ChatVertexAI
24. model = ChatVertexAI(model="gemini-pro")

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七、案例

1. Langchian实现LLM应用程序

构建一个简单的大型语言模型（LLM）应用程序的快速入门
调用语言模型
使用OutputParsers： 输出解析器
使用PromptTemplate： 提示模板
使用LangSmish追踪你的应用程序
使用LangServe部署你的应用程序
pip install "langserve[all]"

1. import os
3. from fastapi import FastAPI
4. from langchain_core.messages import SystemMessage, HumanMessage
5. from langchain_core.output_parsers import StrOutputParser
6. from langchain_core.prompts import ChatPromptTemplate
7. from langchain_openai import ChatOpenAI
8. from langserve import add_routes
10. os.environ['http_proxy'] = '127.0.0.1:7890'
11. os.environ['https_proxy'] = '127.0.0.1:7890'
13. os.environ["LANGCHAIN_TRACING_V2"] = "true"
14. # os.environ["LANGCHAIN_ENDPOINT"] = "https://api.smith.langchain.com"
15. os.environ["LANGCHAIN_PROJECT"] = "LangchainDemo"
16. os.environ["LANGCHAIN_API_KEY"] = 'lsv2_pt_5a857c6236c'
18. # 调用大语言模型
19. # 创建模型
20. model = ChatOpenAI(model='gpt-4-turbo')
22. # 2、准备prompt
23. msg = [
24.     SystemMessage(content='请将以下的内容翻译成意大利语'),
25.     HumanMessage(content='你好，请问你要去哪里？')
26. ]
28. # result = model.invoke(msg)
29. # print(result)
31. # 简单的解析响应数据
32. # 3、创建返回的数据解析器
33. parser = StrOutputParser()
34. # print(parser.invoke(result))
36. # 定义提示模板
37. prompt_template = ChatPromptTemplate.from_messages([
38.     ('system', '请将下面的内容翻译成{language}'),
39.     ('user', "{text}")
40. ])
42. # 4、得到链
43. chain = prompt_template | model | parser
45. # 5、 直接使用chain来调用
46. # print(chain.invoke(msg))
47. print(chain.invoke({'language': 'English', 'text': '我下午还有一节课，不能去打球了。'}))
49. # 把我们的程序部署成服务
50. # 创建fastAPI的应用
51. app = FastAPI(title='我的Langchain服务', version='V1.0', description='使用Langchain翻译任何语句的服务器')
53. add_routes(
54.     app,
55.     chain,
56.     path="/chainDemo",
57. )
59. if __name__ == "__main__":
60.     import uvicorn
61.     uvicorn.run(app, host="localhost", port=8000)

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2. Langchian构建聊天机器人

这个聊天机器人能够进行对话并记住之前的互动。
需要安装：pip install langchain_community
1.Chat History：它允许聊天机器人“记住”过去的互动，并在回应后续问题时考虑它们。
2.流试输出

1. import os
3. from langchain_community.chat_message_histories import ChatMessageHistory
4. from langchain_core.messages import HumanMessage
5. from langchain_core.prompts import ChatPromptTemplate, MessagesPlaceholder
6. from langchain_core.runnables import RunnableWithMessageHistory
7. from langchain_openai import ChatOpenAI
8. from langserve import add_routes
10. os.environ['http_proxy'] = '127.0.0.1:7890'
11. os.environ['https_proxy'] = '127.0.0.1:7890'
13. os.environ["LANGCHAIN_TRACING_V2"] = "true"
14. os.environ["LANGCHAIN_PROJECT"] = "LangchainDemo"
15. os.environ["LANGCHAIN_API_KEY"] = 'lsv2_pt_5a857c6236c'
17. # 聊天机器人案例
18. # 创建模型
19. model = ChatOpenAI(model='gpt-4-turbo')
21. # 定义提示模板
22. prompt_template = ChatPromptTemplate.from_messages([
23.     ('system', '你是一个乐于助人的助手。用{language}尽你所能回答所有问题。'),
24.     MessagesPlaceholder(variable_name='my_msg')
25. ])
27. # 得到链
28. chain = prompt_template | model
30. # 保存聊天的历史记录
31. store = {}  # 所有用户的聊天记录都保存到store。key: sessionId,value: 历史聊天记录对象
34. # 此函数预期将接收一个session_id并返回一个消息历史记录对象。
35. def get_session_history(session_id: str):
36.     if session_id not in store:
37.         store[session_id] = ChatMessageHistory()
38.     return store[session_id]
41. do_message = RunnableWithMessageHistory(
42.     chain,
43.     get_session_history,
44.     input_messages_key='my_msg'  # 每次聊天时候发送msg的key
45. )
47. config = {'configurable': {'session_id': 'zs1234'}}  # 给当前会话定义一个sessionId
49. # 第一轮
50. resp1 = do_message.invoke(
51.     {
52.         'my_msg': [HumanMessage(content='你好啊！ 我是LaoXiao')],
53.         'language': '中文'
54.     },
55.     config=config
56. )
58. print(resp1.content)
60. # 第二轮
61. resp2 = do_message.invoke(
62.     {
63.         'my_msg': [HumanMessage(content='请问：我的名字是什么？')],
64.         'language': '中文'
65.     },
66.     config=config
67. )
69. print(resp2.content)
71. # 第3轮： 返回的数据是流式的
72. config = {'configurable': {'session_id': 'lis2323'}}  # 给当前会话定义一个sessionId
73. for resp in do_message.stream({'my_msg': [HumanMessage(content='请给我讲一个笑话？')], 'language': 'English'},
74.                               config=config):
75.     # 每一次resp都是一个token
76.     print(resp.content, end='-')

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总结

随着人工智能领域的迅猛发展，大型语言模型在自然语言处理中的应用变得越来越广泛。然而，如何有效地将这些强大的模型应用于实际场景，并与各种数据源和工具进行无缝集成，成为了开发者面临的重大挑战。传统的开发方式往往需要处理大量的底层逻辑和重复性工作，降低了开发效率。
LangChain 的出现正是为了解决这些问题。通过模块化和链式的设计理念，LangChain 提供了一个高度可扩展和灵活的框架，使得开发者可以专注于应用的核心功能，而无需过多关注底层实现。这不仅提高了开发效率，还为快速迭代和创新提供了有力支持。

原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_48389642/article/details/149275644