LangChain面试必知1——基础概念

LangChain是一个连接大语言模型与外部世界的开发框架，旨在突破LLM知识边界、扩展功能范围并实现复杂工作流自动化。其核心组件包括模型、提示模板、链、代理、工具、记忆等，通过模块化架构支持检索增强生成、智能客服、工具调用等多样化应用场景。LangChain提供标准化组件和接口，降低开发门槛，让开发者能快速构建更强大、更贴合实际需求的LLM应用。

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LangChain中文文档：https://www.langchain.asia/

概览

• LangChain的设计目标
• LangChain的核心组件
• LangChain的技术架构
• LangChain的应用场景

1 LangChain的设计目标

LangChain 的核心设计目标是构建一个 “连接 LLM 与外部世界” 的桥梁，通过整合数据、工具和工作流，解决 LLM 自身的局限性，同时提供便捷的开发工具，让开发者能快速构建出更强大、更实用、更贴合实际需求的 LLM 应用。具体设计目标可从以下几个核心维度展开：

• 连接外部数据，突破 LLM 知识边界：LLM 的训练数据存在 “时效性有限”“领域知识不足” 等问题，LangChain能实现 LLM 与外部数据的无缝连接，包括文档、数据库、API、网页等。
• 整合工具能力，扩展 LLM 功能范围：LLM 本身擅长文本生成和理解，但缺乏直接调用工具（如计算器、搜索引擎、代码解释器、数据库查询工具等）的能力。LangChain 旨在让 LLM 具备使用外部工具的能力，从而处理其自身无法完成的任务。
• 支持复杂工作流，实现多步骤任务自动化：实际应用中，很多任务需要多步逻辑处理（如 “分析用户问题→检索相关数据→调用工具计算→整合结果生成回答”）。LangChain 提供了Chains和 Agents等组件，目标是简化复杂工作流的构建，让 LLM 能按逻辑顺序完成多步骤任务。
• 降低开发门槛，提供标准化组件和接口：直接基于 LLM 开发应用时，开发者需处理数据加载、格式转换、工具调用逻辑、内存管理等繁琐细节。LangChain 提供了一系列标准化的组件（如提示词模板、记忆模块、输出解析器等）和统一接口，目标是让开发者专注于业务逻辑，而非底层技术实现。
• 适配多场景应用，支持模块化扩展：LangChain 设计之初就考虑了通用性，目标是支持多样化的 LLM 应用场景，包括聊天机器人、问答系统、数据分析工具等。

2 LangChain的核心组件

LangChain提供了以下核心模块：

2.1 模型（Models）

• 作用：提供与各类 LLM 及其他模型的交互接口，是 LangChain 的 “核心动力”。
• 分类：

• 大语言模型（LLMs）：如 GPT-4、Claude、LLaMA 等，处理文本生成、理解等核心任务。
• 聊天模型（Chat Models）：针对对话场景优化的模型（如 ChatGPT），输入输出为 “消息列表”（区分用户、系统、AI 角色）。
• 文本嵌入模型（Embedding Models）：将文本转换为向量（如 OpenAI Embeddings、Sentence-BERT），用于语义相似度计算（支撑检索功能）。
• 工具模型（Tool-Using Models）：支持调用外部工具的模型（如能执行函数调用的 GPT-4）。

• 特点：LangChain 提供统一接口，可无缝切换不同厂商的模型，无需修改核心逻辑。

2.2 提示模板（Prompt Templates）

• 作用：标准化提示词的构建，避免重复编写相同格式的指令，提升 LLM 输出的一致性。
• 核心功能：

• 模板定义：预设提示词结构（如 “请总结以下文本：{text}”），通过变量动态填充内容。
• 提示词组合：将多个小模板拼接为复杂提示词（如先给系统指令，再加入用户问题）。
• 格式约束：强制 LLM 按特定格式输出（如 JSON、列表），便于后续解析。

2.3 链（Chains）

• 作用：将多个步骤（如 “调用 LLM→处理输出→调用工具”）串联成一个可执行的流程，解决单一 LLM 无法完成的复杂任务。
• 类型：

• LLMChain：最基础的链，将 “提示词模板” 与 “LLM” 结合，直接输出结果（如 “用模板生成提示词→调用 LLM 生成回答”）。
• SequentialChain：多步骤按顺序执行，前一步的输出作为后一步的输入（如 “总结文本→基于总结生成摘要→将摘要翻译成中文”）。
• RouterChain：根据输入内容动态选择不同的子链执行（如 “判断问题类型→调用对应领域的问答链”）。

• 特点：简化多步骤逻辑的串联，让流程可复用、可扩展。

2.4 代理（Agents）

• 作用：让 LLM 具备 “自主决策能力”，能根据目标选择工具、规划步骤，处理需要动态判断的任务（区别于固定流程的 Chains）。
• 核心逻辑： 接收用户目标→分析任务→决定是否调用工具（或直接回答）→执行工具调用→根据返回结果调整策略→重复直至完成任务。
• 关键组件：

• 工具（Tools）：代理可调用的外部功能（如搜索引擎、计算器、数据库查询、代码解释器等）。
• 工具调用策略：如 “ReAct”（先推理再行动）、“Plan-and-Execute”（先规划再执行）等，指导代理的决策逻辑。

2.5 工具（Tools）

• 作用：为 LLM / 代理提供与外部世界交互的 “能力扩展”，弥补 LLM 自身在实时信息、计算、特定功能上的不足。
• 类型：

• 内置工具：如搜索引擎（SerpAPI）、计算器（Calculator）、代码解释器（Python REPL）。
• 自定义工具：开发者可根据需求封装工具（如调用企业内部数据库的接口、邮件发送工具等）。

• 要求：工具需定义清晰的输入输出格式，让 LLM 能理解如何调用（如参数名称、类型）。

2.6 记忆（Memory）

• 作用：存储和管理对话历史或上下文信息，让 LLM 具备 “长期记忆” 能力，支持多轮对话或依赖历史的任务。
• 类型：

• 短期记忆：如ConversationBufferMemory，简单存储所有对话历史。
• 长期记忆：如ConversationSummaryMemory，将早期对话总结后存储，节省 Token。
• 实体记忆：如EntityMemory，专门记录对话中提到的实体（如人名、地点）及其属性。

2.7 文档加载器（Document Loaders）

• 作用：将外部数据（如文件、网页、数据库等）加载为 LangChain 统一的 “文档（Document）” 格式（包含文本内容和元数据），供后续处理。
• 支持的数据源：

• 本地文件：PDF、Word、Markdown、Excel 等。
• 在线内容：网页（URL）、社交媒体帖子、API 返回数据等。
• 数据库：SQL 数据库、MongoDB 等（需配合特定加载器）。

• 特点：自动处理不同格式的解析，输出标准化的文档对象，便于后续分割、嵌入等操作。

2.8 文本分割器（Text Splitters）

• 作用：将长文档分割为短文本片段（“Chunk”），解决 LLM 上下文长度限制问题，同时优化后续检索效率。
• 分割策略：

• 按字符数 / 单词数分割（如每 500 字符一段）。
• 按语义分割（如基于句子、段落边界，避免切断语义）。

• 关键：分割后的片段需保留一定重叠（如首尾重叠 100 字符），确保上下文连贯性。

2.9 向量存储（Vector Stores）

• 作用：存储文本片段的向量表示（由嵌入模型生成），支持高效的 “语义检索”（根据文本含义而非关键词匹配）。
• 常见向量存储：

• 开源工具：FAISS、Chroma、Milvus。
• 云服务：Pinecone、Weaviate、AWS OpenSearch。

2.10 索引（Indexes）

• 作用：整合 “文档加载→分割→嵌入→存储” 的全流程，构建可用于检索的结构化数据索引，简化 RAG 等场景的实现。
• 类型：

• VectorstoreIndexCreator：自动化完成文档加载、分割、嵌入并存储到向量库，直接生成可检索的索引。
• Graph Index：按实体关系（如 “人物 - 事件”）构建知识图谱，支持基于关系的检索。

2.11 输出解析器（Output Parsers）

• 作用：将 LLM 生成的原始文本转换为结构化数据（如 JSON、列表、自定义对象），便于后续代码处理（如存储到数据库、传递给其他工具）。

3 LangChain的技术架构

LangChain 的技术架构以 “模块化” 和 “可扩展性” 为核心，通过分层设计和组件化拆分，实现对大语言模型（LLM）能力的扩展与连接。其架构可分为核心抽象层、功能组件层、集成层和工具与平台层四个主要部分，各层协同支撑从开发到部署的全流程。

3.1 核心抽象层（Core Abstractions）

这是 LangChain 架构的基础，定义了所有组件的通用接口和交互标准，确保不同模块可无缝协作。核心抽象包括：

• BaseLanguageModel：统一各类 LLM（如 GPT、Claude、开源模型）的调用接口，屏蔽不同模型的底层差异。
• PromptTemplate：标准化提示词格式，支持动态填充变量（如用户输入、外部数据），确保输入一致性。
• BaseRetriever：定义检索接口，统一向量数据库（如 Pinecone、Milvus）、文档检索工具的调用逻辑。
• Tool 与 BaseTool：抽象外部工具（API、函数、软件）的调用规范，让智能体（Agent）能统一调用不同工具。
• Chain：定义 “组件串联” 的接口，支持将多个步骤（如 “检索→LLM 推理→输出解析”）组合为流水线。
• Agent 与 AgentExecutor：抽象智能体的决策逻辑，规范 “任务拆解→工具调用→结果整合” 的流程。

这些抽象确保了 LangChain 的灵活性 —— 无论替换 LLM、向量库还是工具，只需实现对应接口即可兼容。

3.2 功能组件层（Functional Components）

基于核心抽象层，实现具体功能组件，是构建应用的 “积木”。主要包括：

• 输入处理组件：

• 提示词模板（PromptTemplates）：支持文本模板、少样本示例模板等，用于格式化用户输入。
• 文档加载器（DocumentLoaders）：读取各类外部数据（PDF、Excel、网页、数据库等），转换为统一的 Document 格式。

• 数据处理组件：

• 文本分割器（TextSplitters）：将长文档拆分为适合嵌入的短片段（如按句子、Token 长度拆分）。
• 嵌入模型（Embeddings）：将文本转换为向量（如用 OpenAI Embeddings、BERT 等），用于后续检索。
• 向量存储（VectorStores）：存储文本向量并支持相似度检索（如 Pinecone、FAISS、Chroma）。

• 逻辑流组件：

• 链（Chains）：串联组件形成流程，如 RetrievalQAChain（检索 + LLM 问答）、SequentialChain（多步骤顺序执行）。
• 智能体（Agents）：具备自主决策能力，如 ReActAgent（基于 “思考 - 行动 - 观察” 逻辑调用工具）、StructuredChatAgent（支持结构化输出）。

• 输出处理组件：

• 输出解析器（OutputParsers）：将 LLM 生成的自然语言转换为结构化格式（如 JSON、列表），方便下游处理。

3.3 集成层（Integrations）

连接外部资源和工具，扩展 LangChain 的能力边界，主要包括三类集成：

• LLM 集成：支持主流大模型，如 OpenAI、Anthropic、Google（PaLM）、开源模型（Llama 2、Mistral）等，通过统一接口调用。
• 数据存储集成：对接向量数据库（Pinecone、Weaviate）、关系型数据库（SQL）、文档存储（Notion、Confluence）等，实现外部数据接入。
• 工具集成：支持调用 API（天气、支付、地图）、软件工具（Excel、代码解释器）、服务（搜索引擎、邮件）等，目前已集成超 700 种工具。

集成层通过 langchain-community 包维护，由社区贡献和更新，确保兼容性和扩展性。

3.4 工具与平台层（Tools & Platforms）

支撑 LangChain 应用的开发、部署与运维，降低生产级应用的落地门槛：

• 开发工具：

• LangChain Templates：提供应用脚手架（如 RAG、Agent 模板），快速初始化项目。
• LangChain Expression Language（LCEL）：用简洁语法组合组件（如 prompt | llm | parser），简化流程定义。

• 部署工具：

• LangServe：将 LangChain 应用部署为 REST/gRPC API，支持流式输出、批处理，兼容 FastAPI 生态。

• 监控与调试平台：

• LangSmith：提供全链路追踪（组件调用、Token 消耗、耗时）、测试与评估功能，帮助定位问题并优化应用。

4 LangChain的应用场景

LangChain 的应用场景覆盖了需要 LLM 结合外部信息、工具或复杂逻辑的各类任务，以下是典型且广泛的应用场景分类：

4.1 检索增强生成（RAG）类应用

让 LLM 基于指定的外部数据（而非仅依赖训练数据）生成回答，解决 “知识过时”“领域受限” 问题。

• 企业知识库问答：如内部文档查询（员工手册、产品手册、技术文档），用户提问时，系统自动检索相关文档片段并让 LLM 生成精准回答（例如 “我们公司的年假政策是什么？”）。
• 专业领域问答：如法律案例检索（基于最新法规文档回答法律问题）、医疗文献解读（结合特定医学论文解释病症）、学术研究辅助（快速总结某领域论文核心观点）。
• 个性化内容生成：如基于用户历史对话记录生成专属建议（如客服根据用户过往订单推荐产品）、基于本地文件生成报告（如分析个人笔记生成工作总结）。

4.2 智能客服与对话系统

通过结合多轮对话记忆、外部工具和业务数据，构建更智能的交互系统。

• 多轮对话客服：支持上下文记忆（如用户提到 “上周买的手机”，系统能关联历史订单），并可调用订单系统、物流 API 实时查询信息（如 “我的快递到哪了？”）。
• 行业专属助手：如电商客服自动处理退换货咨询（调用售后规则文档）、银行客服解答理财产品细节（关联产品说明书和实时利率数据）。

4.3 工具调用与自动化任务

让 LLM 自主决策并调用外部工具（API、软件、函数等），完成需要实时数据或计算的任务。

• 实时信息获取：如天气查询（调用天气 API）、股票行情分析（对接金融数据接口）、新闻摘要（爬取实时新闻后总结）。
• 实用工具联动：如旅行规划助手（调用机票 / 酒店 API 查价格、用地图工具规划路线）、数学 / 数据分析（调用计算器、Excel 插件处理复杂公式）。
• 流程自动化：如邮件自动分类与回复（读取邮件内容，调用 CRM 系统记录信息后生成回复）、代码生成与执行（根据需求写代码，调用编译器验证正确性）。

4.4 内容创作与编辑

结合外部数据和格式约束，提升内容生成的专业性和定制化。

• 个性化写作：如根据用户提供的大纲和素材生成演讲稿、小说章节（自动整合外部参考资料）。
• 格式转换与优化：如将会议录音转文字后，自动提炼要点、生成结构化纪要（调用语音转文字工具 + 总结模板）。
• 多语言内容处理：如跨语言文档翻译（结合专业术语库确保准确性）、本地化文案生成（适配特定地区文化和法规）。

4.5 智能代理（Agent）类应用

通过 Agent 组件让系统具备 “自主规划、多步骤决策” 能力，处理复杂任务。

• 研究助手：如 “分析某行业近 3 年发展趋势”，Agent 会自动拆解任务（确定数据源→调用搜索引擎爬取报告→提取关键数据→调用图表工具可视化→生成结论）。
• 个人助理：如 “安排下周行程”，Agent 会查询用户日历、对接会议参与者时间、预订会议室，并根据突发情况（如某人冲突）调整计划。
• 教育辅导：如 “辅导学生解数学题”，Agent 会先判断题目类型，调用公式库，逐步推导过程，若学生有疑问则进一步拆解步骤。

4.6 开发者工具与 LLM 应用搭建

为开发者提供模块化组件，快速构建定制化 LLM 应用。

• 快速原型开发：如用 Prompt Templates 统一提示词格式、用 Chains 串联 “输入→检索→LLM→输出” 流程，无需重复编写基础逻辑。
• 多模型兼容系统：支持同时集成多个 LLM（如 GPT-4 用于复杂推理、开源模型用于本地部署），根据任务场景自动切换。

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