过去半年，随着ChatGPT的火爆，直接带火了整个LLM这个方向，然LLM毕竟更多是基于过去的经验数据预训练而来，没法获取最新的知识，以及各企业私有的知识
为了获取最新的知识，ChatGPT plus版集成了bing搜索的功能，有的模型则会调用一个定位于 “链接各种AI模型、工具”的langchain的bing功能
为了处理企业私有的知识，要么基于开源模型微调，要么更可以基于langchain里集成的向量数据库和LLM搭建本地知识库问答(此处的向量数据库的独特性在哪呢？举个例子，传统数据库做图片检索可能是通过关键词去搜索，向量数据库是通过语义搜索图片中相同或相近的向量并呈现结果)
本文则侧重讲解
什么是LangChain及langchain的整体组成架构
通过langchain-ChatGLM构建本地知识库问答的基本流程，与每个流程背后的逻辑
解读langchain-ChatGLM项目的关键源码，不只是把它当做一个工具使用，因为对工具的原理更了解，则对工具的使用更顺畅
一开始解读不易，因为涉及的项目、技术点不少，所以一开始容易绕晕，好在根据该项目的流程一步步抽丝剥茧之后，给大家呈现了清晰的代码架构
过程中，我从接触该langchain-ChatGLM项目到整体源码梳理清晰并写清楚历时了近一周，而大家有了本文之后，可能不到一天便可以理清了(提升近7倍效率) ，这便是本文的价值和意义之一
langchain-ChatGLM项目的升级版：langchain-Chatchat
我司基于langchain-chatchat二次开发的企业多文档知识库问答系统
第一部分 LangChain的整体组成架构：LLM的外挂/功能库
通俗讲，所谓langchain ，即把AI中常用的很多功能都封装成库，且有调用各种商用模型API、开源模型的接口，支持以下各种组件
初次接触的朋友一看这么多组件可能直接晕了(封装的东西非常多，感觉它想把LLM所需要用到的功能/工具都封装起来)，为方便理解，我们可以先从大的层面把整个langchain库划分为三个大层：基础层、能力层、应用层
1.1 基础层：models、LLMs、index
1.1.1 Models：模型
各种类型的模型和模型集成，比如OpenAI的各个API/GPT-4等等，为各种不同基础模型提供统一接口
比如通过API完成一次问答
1.1.2 LLMS层
这一层主要强调对models层能力的封装以及服务化输出能力，主要有：
各类LLM模型管理平台：强调的模型的种类丰富度以及易用性
一体化服务能力产品：强调开箱即用
差异化能力：比如聚焦于Prompt管理(包括提示管理、提示优化和提示序列化)、基于共享资源的模型运行模式等等
1.1.3 Index(索引)：Vector方案、KG方案
对用户私域文本、图片、PDF等各类文档进行存储和检索(相当于结构化文档，以便让外部数据和模型交互)，具体实现上有两个方案：一个Vector方案、一个KG方案
1.1.3.1 Index(索引)之Vector方案
对于Vector方案：即对文件先切分为Chunks，在按Chunks分别编码存储并检索，可参考此代码文件：langchain/libs/langchain/langchain/indexes /vectorstore.py
1.1.3.2 Index(索引)之KG方案
对于KG方案：这部分利用LLM抽取文件中的三元组，将其存储为KG供后续检索，可参考此代码文件：langchain/libs/langchain/langchain/indexes /graph.py
1.2 能力层：Chains、Memory、Tools
如果基础层提供了最核心的能力，能力层则给这些能力安装上手、脚、脑，让其具有记忆和触发万物的能力，包括：Chains、Memory、Tool三部分
1.2.1 Chains：链接
简言之，相当于包括一系列对各种组件的调用，可能是一个 Prompt 模板，一个语言模型，一个输出解析器，一起工作处理用户的输入，生成响应，并处理输出
具体而言，则相当于按照不同的需求抽象并定制化不同的执行逻辑，Chain可以相互嵌套并串行执行，通过这一层，让LLM的能力链接到各行各业
比如与Elasticsearch数据库交互的：elasticsearch_database
比如基于知识图谱问答的：graph_qa
其中的代码文件：chains/graph_qa/base.py 便实现了一个基于知识图谱实现的问答系统，具体步骤为
首先，根据提取到的实体在知识图谱中查找相关的信息「这是通过 self.graph.get_entity_knowledge(entity) 实现的，它返回的是与实体相关的所有信息，形式为三元组」
然后，将所有的三元组组合起来，形成上下文
最后，将问题和上下文一起输入到qa_chain，得到最后的答案
1.2.2 Memory：记忆
简言之，用来保存和模型交互时的上下文状态，处理长期记忆
具体而言，这层主要有两个核心点：
对Chains的执行过程中的输入、输出进行记忆并结构化存储，为下一步的交互提供上下文，这部分简单存储在Redis即可
根据交互历史构建知识图谱，根据关联信息给出准确结果，对应的代码文件为：memory/kg.py
1.2.2 Memory：记忆
简言之，用来保存和模型交互时的上下文状态，处理长期记忆
具体而言，这层主要有两个核心点：
对Chains的执行过程中的输入、输出进行记忆并结构化存储，为下一步的交互提供上下文，这部分简单存储在Redis即可
根据交互历史构建知识图谱，根据关联信息给出准确结果，对应的代码文件为：memory/kg.py
此外，关于Wikipedia可以关注下这个代码文件：langchain/docstore/wikipedia.py…
最终langchain的整体技术架构可以如下图所示 (查看高清大图，此外，这里还有另一个架构图)
第二部分 基于LangChain + ChatGLM-6B(23年7月初版)的本地知识库问答
2.1 核心步骤：如何通过LangChain+LLM实现本地知识库问答
2023年7月，GitHub上有一个利用 langchain 思想实现的基于本地知识库的问答应用：langchain-ChatGLM (这是其GitHub地址，当然还有和它类似的但现已支持Vicuna-13b的项目，比如LangChain-ChatGLM-Webui )，目标期望建立一套对中文场景与开源模型支持友好、可离线运行的知识库问答解决方案
该项目受 GanymedeNil 的项目 document.ai，和 AlexZhangji 创建的 ChatGLM-6B Pull Request 启发，建立了全流程可使用开源模型实现的本地知识库问答应用。现已支持使用 ChatGLM-6B、 ClueAI/ChatYuan-large-v2 等大语言模型的接入
该项目中 Embedding 默认选用的是 GanymedeNil/text2vec-large-chinese，LLM 默认选用的是 ChatGLM-6B，依托上述模型，本项目可实现全部使用开源模型离线私有部署
本项目实现原理如下图所示 (与基于文档的问答 大同小异，过程包括：1 加载文档 -> 2 读取文档 -> 3/4文档分割 -> 5/6 文本向量化 -> 8/9 问句向量化 -> 10 在文档向量中匹配出与问句向量最相似的top k个 -> 11/12/13 匹配出的文本作为上下文和问题一起添加到prompt中 -> 14/15提交给LLM生成回答 )
第一阶段：加载文件-读取文件-文本分割(Text splitter)
加载文件：这是读取存储在本地的知识库文件的步骤
读取文件：读取加载的文件内容，通常是将其转化为文本格式
文本分割(Text splitter)：按照一定的规则(例如段落、句子、词语等)将文本分割
第二阶段：文本向量化(embedding)-存储到向量数据库
文本向量化(embedding)：这通常涉及到NLP的特征抽取，可以通过诸如TF-IDF、word2vec、BERT等方法将分割好的文本转化为数值向量
存储到向量数据库：文本向量化之后存储到数据库vectorstore (FAISS，下一节会详解FAISS)
第三阶段：问句向量化
这是将用户的查询或问题转化为向量，应使用与文本向量化相同的方法，以便在相同的空间中进行比较
第四阶段：在文本向量中匹配出与问句向量最相似的top k个
这一步是信息检索的核心，通过计算余弦相似度、欧氏距离等方式，找出与问句向量最接近的文本向量
第五阶段：匹配出的文本作为上下文和问题一起添加到prompt中
这是利用匹配出的文本来形成与问题相关的上下文，用于输入给语言模型
第六阶段：提交给LLM生成回答
最后，将这个问题和上下文一起提交给语言模型(例如GPT系列)，让它生成回答
比如知识查询
如你所见，这种通过组合langchain+LLM的方式，特别适合一些垂直领域或大型集团企业搭建通过LLM的智能对话能力搭建企业内部的私有问答系统，也适合个人专门针对一些英文paper进行问答，比如比较火的一个开源项目：ChatPDF，其从文档处理角度来看，实现流程如下：
2.2 Facebook AI Similarity Search(FAISS)：高效向量相似度检索
Faiss的全称是Facebook AI Similarity Search (官方介绍页、GitHub地址)，是FaceBook的AI团队针对大规模相似度检索问题开发的一个工具，使用C++编写，有python接口，对10亿量级的索引可以做到毫秒级检索的性能
简单来说，Faiss的工作，就是把我们自己的候选向量集封装成一个index数据库，它可以加速我们检索相似向量TopK的过程，其中有些索引还支持GPU构建
2.2.1 Faiss检索相似向量TopK的基本流程
Faiss检索相似向量TopK的工程基本都能分为三步：
得到向量库
此文，现在faiss官方支持八种度量方式，分别是：
METRIC_INNER_PRODUCT（内积）
METRIC_L1（曼哈顿距离）
METRIC_L2（欧氏距离）
METRIC_Linf（无穷范数）
METRIC_Lp（p范数）
METRIC_BrayCurtis（BC相异度）
METRIC_Canberra（兰氏距离/堪培拉距离）
METRIC_JensenShannon（JS散度）
2.2.2.1 Flat ：暴力检索
优点：该方法是Faiss所有index中最准确的，召回率最高的方法，没有之一；
缺点：速度慢，占内存大。
使用情况：向量候选集很少，在50万以内，并且内存不紧张。
注：虽然都是暴力检索，faiss的暴力检索速度比一般程序猿自己写的暴力检索要快上不少，所以并不代表其无用武之地，建议有暴力检索需求的同学还是用下faiss。
构建方法：
2.3 项目部署：langchain + ChatGLM-6B搭建本地知识库问答
2.3.1 部署过程一：支持多种使用模式
其中的LLM模型可以根据实际业务的需求选定，本项目中用的ChatGLM-6B，其GitHub地址为：https://github.com/THUDM/ChatGLM-6B
ChatGLM-6B 是⼀个开源的、⽀持中英双语的对话语⾔模型，基于 General LanguageModel (GLM) 架构，具有 62 亿参数。结合模型量化技术，用户可以在消费级的显卡上进行本地部署（INT4 量化级别下最低只需 6GB 显存）
ChatGLM-6B 使用了和 ChatGPT 相似的技术，针对中文问答和对话进行了优化。经过约 1T 标识符的中英双语训练，辅以监督微调、反馈自助、人类反馈强化学习等技术的加持，62 亿参数的 ChatGLM-6B 已经能生成相当符合人类偏好的回答
对应输出：
占用显存情况：大约15个G
2.3.2 部署过程二：支持多种社区上的在线体验
项目地址：https://github.com/thomas-yanxin/LangChain-ChatGLM-Webui
HUggingFace社区在线体验：https://huggingface.co/spaces/thomas-yanxin/LangChain-ChatLLM
再回顾一遍langchain-ChatGLM这个项目的架构图
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