热门大型语言模型（LLM）应用开发框架

我们来深入探索这些强大的大型语言模型（LLM）应用开发框架，并且我会尝试用文本形式描述一些核心的流程图，帮助您更好地理解它们的工作机制。由于我无法直接生成图片，我会用文字清晰地描述流程图的各个步骤和连接。

LangChain 🦜🔗：LLM 应用的全能瑞士军刀与编排大师

LangChain 是一个功能极其丰富的开源框架，旨在简化和标准化 LLM 应用的开发。它通过模块化的组件和“链”（Chains）的概念，让开发者能够像搭积木一样构建从简单到复杂的各类 LLM 应用，尤其在 RAG (检索增强生成) 和自主代理 (Agents) 方面表现突出。

• 核心理念：将 LLM 应用的各个环节（如模型调用、数据连接、任务编排、记忆管理）抽象为可复用的组件，并通过“链”将它们串联起来，实现灵活且强大的工作流。

• 关键特性详解：

  • LLM 封装 (LLM Wrappers)：提供统一接口调用不同的 LLM，如 OpenAI 的 gpt-4、gpt-3.5-turbo，Hugging Face Hub 上的开源模型（如 Llama, Mistral），以及 Azure OpenAI Service 等。这使得底层模型的切换成本大大降低。
  • 链 (Chains)：这是 LangChain 的灵魂。链定义了一系列操作的执行顺序。
    • LLMChain：最基础的链，包含一个提示模板 (PromptTemplate)、一个 LLM 和一个可选的输出解析器 (OutputParser)。
    • 顺序链 (Sequential Chains)：如 SimpleSequentialChain（单输入单输出）和 SequentialChain（多输入多输出），可以将多个链或原子操作按顺序连接。
    • 路由链 (Router Chains)：能根据输入动态地选择执行哪一个子链，实现更复杂的逻辑分支。
    • 文档处理链 (Chains for Document Interaction)：如 load_summarize_chain (加载文档并总结)，load_qa_chain (加载文档并进行问答)。
  • 索引与检索器 (Indexes and Retrievers) - RAG 的核心：
    • 文档加载器 (Document Loaders)：支持超过80种数据源，从 PDF、TXT、CSV、JSON、HTML 到 Notion、Google Drive、Slack、Databases (SQL, NoSQL) 等。
    • 文本分割器 (Text Splitters)：将长文档分割成适合 LLM 处理的语义相关的小块 (chunks)。例如 RecursiveCharacterTextSplitter (递归按字符分割，尝试保留段落完整性)、TokenTextSplitter (按 Token 数量分割)。
    • 向量化 (Embeddings)：将文本块转换为高维向量，捕捉其语义信息。支持 OpenAI, Hugging Face, Cohere 等多种嵌入模型。
    • 向量存储 (Vector Stores)：将文本块及其向量存储起来，以便进行高效的相似性搜索。集成了 FAISS, Chroma, Pinecone, Weaviate, Milvus, Elasticsearch 等25种以上的向量数据库/搜索引擎。
    • 检索器 (Retrievers)：根据用户查询（也转换为向量）从向量存储中检索最相关的文本块。除了基本的相似性搜索，还支持 MMR (Maximal Marginal Relevance) 减少结果冗余，以及元数据过滤等。
  • 代理 (Agents)：赋予 LLM “思考-行动”的能力。Agent 内部有一个 LLM 作为决策核心，可以访问一系列工具 (Tools) 来完成用户指定的任务。
    • 工具 (Tools)：可以是简单的函数（如计算器、日期获取），也可以是调用外部 API（如 Google 搜索、天气查询、维基百科），甚至可以是其他的链。
    • Agent 执行器 (AgentExecutor)：负责运行 Agent 的主循环，包括让 LLM 思考、选择工具、执行工具、观察结果，并循环此过程直到任务完成。
    • Agent 类型：如 zero-shot-react-description (基于 ReAct 范式，根据工具描述让 LLM 自行决定使用哪个工具)，self-ask-with-search (模拟人类先自问问题再通过搜索找答案的过程)。
  • 记忆 (Memory)：为链和 Agent 提供短期或长期的记忆能力，使对话能够保持上下文连贯。
    • 类型：ConversationBufferMemory (存储完整对话历史)，ConversationBufferWindowMemory (仅存储最近 K 轮对话)，ConversationSummaryMemory (对历史对话进行摘要)，VectorStoreRetrieverMemory (将对话历史存入向量数据库，根据当前输入检索相关历史片段)。
  • 回调 (Callbacks)：允许开发者在链或 Agent 执行的各个阶段（如开始、结束、出错、接收到 LLM 输出等）注入自定义逻辑，用于日志记录、监控、流式输出、调试等。

• RAG 流程示意图 (文本描述)：

• Agent 执行流程示意图 (文本描述)：

• 应用场景：

  • 高级 RAG 系统：构建能理解复杂文档、回答专业问题的客服机器人或研究助手。
  • 个性化聊天机器人：利用记忆模块记住用户偏好，提供更贴心的对话体验。
  • 自主任务执行代理：如自动化预订、信息搜集与整理、代码生成与解释。
  • 数据分析与报告生成：连接数据库或 API，自动提取数据、进行分析并生成结构化报告。

Haystack 🌻 (由 deepset AI 开发)：生产级语义搜索与问答专家

Haystack 是一个专注于构建端到端、可扩展、生产就绪的语义搜索和问答系统的开源框架。它强调信息检索流程的健壮性和评估能力。

• 核心理念：通过模块化的“管道”（Pipelines）将文档处理、嵌入、检索、阅读/生成等步骤清晰地组织起来，构建高性能的神经搜索系统，并提供评估工具以确保系统质量。

• 关键特性详解：

  • 管道 (Pipelines)：Haystack 的核心工作流机制。开发者通过 YAML 文件或 Python 代码定义管道，将不同的组件（节点）连接起来。
  • 文档存储 (DocumentStores)：用于存储文本数据及其元数据和向量表示。支持多种后端，如 Elasticsearch, OpenSearch, FAISS, Milvus, Pinecone, Weaviate 等。Haystack 提供了统一的接口来管理这些存储。
  • 文件转换器 (FileConverters)：将不同格式的文件（PDF, DOCX, TXT, Markdown 等）转换为 Haystack Document 对象。
  • 预处理器 (Preprocessors)：对 Document 对象进行清洗（如移除多余空格、特殊字符）和分割（按句子、单词或固定长度分割成更小的文档单元）。
  • 嵌入器 (Embedders) / 检索器 (Retrievers)：
    • 稠密检索器 (Dense Retrievers)：如 EmbeddingRetriever，使用句子Transformer等模型将文档和查询转换为向量，然后进行相似度搜索。
    • 稀疏检索器 (Sparse Retrievers)：如 BM25Retriever (基于 Elasticsearch 或 OpenSearch)，使用传统的词频统计方法（如 BM25）进行检索。
    • 混合检索：可以结合稠密和稀疏检索器的结果。
  • 阅读器 (Readers)：通常是基于 Transformer 的抽取式问答模型（如 RoBERTa, MiniLM 的微调版本），它们从检索器返回的文档中直接抽取答案片段。
  • 生成器 (Generators)：使用 LLM（如 GPT, T5）基于检索到的上下文生成更流畅、更全面的答案。PromptNode 是 Haystack 中用于与 LLM 交互的核心组件，可以配置不同的提示模板和模型。
  • 排序器 (Rankers)：对检索器或阅读器返回的结果进行重新排序，以提升最终答案的相关性。
  • 评估 (Evaluation)：Haystack 提供了专门的评估流程，可以评估检索阶段的指标（如 Recall@K, MAP）和问答阶段的指标（如 Exact Match, F1-score, SAS - Semantic Answer Similarity）。
  • REST API 与 UI：可以方便地将构建的 Haystack 管道通过 REST API 暴露出来，并且提供了一个简单的 Streamlit UI 用于演示和测试。

• Haystack 索引管道示意图 (文本描述)：

• Haystack 查询管道示意图 (文本描述)：

• 应用场景：

  • 企业级语义搜索引擎：为公司内部知识库、产品文档、法律合同等提供智能搜索。
  • 智能客服问答系统：准确理解用户问题并从 FAQ 或知识库中找到或生成答案。
  • 文档分析与洞察提取：从大量报告或文献中快速定位关键信息。
  • 金融、法律等行业的合规性检查与信息检索。

AutoGen 🤖💬 (由 Microsoft 开发)：赋能多智能体协作与自动化

AutoGen 是一个用于构建和管理多个能够相互对话、协作完成任务的 LLM 代理的框架。它强调通过对话来实现复杂工作流的自动化，并支持人类在环的监督与干预。

• 核心理念：将复杂任务分解给多个具有不同角色和能力的 AI 代理，这些代理通过对话进行协作，共同达成目标。人类可以作为参与者或监督者加入对话。

• 关键特性详解：

  • 可对话代理 (Conversable Agents)：AutoGen 的核心。每个代理都可以配置其 LLM（或不使用）、系统消息（定义其身份和行为准则）、工具（函数调用）。
    • UserProxyAgent：代表人类用户，可以发起对话，也可以配置为执行代码（如 Python 脚本，通过 code_execution_config 设置）或调用函数。
    • AssistantAgent：由 LLM 驱动的助手代理，根据对话历史和指令生成回复或决定调用哪个函数。
    • GroupChatManager：用于协调多个代理在群聊中的发言顺序和流程。
  • 多代理对话：代理之间通过发送和接收消息进行通信。开发者可以设计不同的对话模式：
    • 两代理对话：例如，一个 UserProxyAgent 和一个 AssistantAgent 相互对话。
    • 群聊 (Group Chat)：多个代理（包括 UserProxyAgent）在一个群组内讨论，由 GroupChatManager 控制流程。
    • ** سلسله对话 (Sequential Chats)**：任务在一个代理序列中传递。
  • 函数调用 (Function Calling) / 工具使用：代理可以调用预定义的 Python 函数。这与 OpenAI 的函数调用功能紧密集成，使得 LLM 可以请求执行特定的代码逻辑，从而与外部环境交互或执行复杂计算。
  • 代码执行：UserProxyAgent 可以配置为在本地或 Docker 容器中执行 LLM 生成的代码块（如 Python, Shell 脚本），并将结果返回给对话。这对于编程、数据分析等任务非常强大。
  • 人在回路 (Human-in-the-loop)：人类用户可以随时介入对话，提供反馈、修正方向、批准代码执行或手动执行某些步骤。这对于确保任务的正确性和安全性至关重要。
  • 可定制性：可以自定义代理的行为，例如它们如何回复、何时请求人类输入、何时终止对话等。

• AutoGen 基础双代理对话流程示意图 (文本描述)：

• AutoGen 群聊流程示意图 (简化) (文本描述)：

• 应用场景：

  • 自动化复杂任务：如“让一个代理写代码，另一个测试，第三个写文档”，或者“一个代理负责搜集最新新闻，另一个总结，第三个写评论”。
  • 代码生成、调试与优化：代理可以协作编写、运行和改进代码。
  • 研究与内容创作：多个代理分工合作，进行文献回顾、数据分析、报告撰写。
  • 模拟与决策支持：模拟不同角色（如CEO, CFO, CTO）在特定场景下的决策过程。
  • 交互式学习与辅导：代理扮演老师、学生、提问者等角色。

Semantic Kernel 🧠💡 (由 Microsoft 开发)：轻量级 AI 服务编排 SDK

Semantic Kernel (SK) 是一个轻量级的开源 SDK，旨在将 LLM 和其他 AI 服务（如嵌入模型）的能力无缝集成到传统的应用程序中。它提供了一种将自然语言处理能力与现有代码库（C#, Python, Java）结合的优雅方式。

• 核心理念：通过一个“内核”（Kernel）对象来编排“技能”（Skills），其中技能可以包含“语义函数”（由自然语言提示驱动）和“原生函数”（用传统代码编写），从而实现 AI 与业务逻辑的深度融合。

• 关键特性详解：

  • 内核 (Kernel)：SK 的中心协调器。它加载技能、管理记忆、连接AI服务，并执行用户请求。
  • 技能 (Skills)：组织功能的单元，可以包含一个或多个函数。技能可以来自文件系统、代码定义或插件。
    • 语义函数 (Semantic Functions)：核心是带有模板的提示词（Prompt Templates）。这些模板定义了如何与 LLM 交互以完成特定任务（如总结、翻译、情感分析、代码生成等）。SK 的提示模板语言支持变量、内置函数和复杂的逻辑。函数定义通常包含 skprompt.txt (提示模板) 和 config.json (配置，如LLM参数)。
    • 原生函数 (Native Functions)：用 C#, Python 或 Java 编写的普通代码函数，可以通过装饰器（如 Python 中的 @sk_function）暴露给 Kernel。这些函数可以访问本地资源、调用外部 API、执行复杂计算等，弥补了 LLM 在某些方面的不足。
  • 记忆 (Memories)：为 LLM 提供上下文信息和长期知识。SK 的记忆连接器支持多种向量数据库（如 Azure Cognitive Search, Qdrant, Chroma, Weaviate, Pinecone），用于存储和检索文本嵌入，实现 RAG 功能。
  • 连接器 (Connectors)：用于 Kernel 与外部服务（主要是 LLM 和记忆存储）的连接。支持 OpenAI, Azure OpenAI, Hugging Face 等 LLM 服务。
  • 规划器 (Planners)：SK 的一个高级特性，能够根据用户的高层目标和 Kernel 中可用的技能，自动生成一个多步骤的执行计划（Plan）。规划器会分析用户意图，并尝试找到一系列技能调用的组合来达成该意图。
    • 例如，用户请求“给我查一下明天北京的天气，然后根据天气写一首关于春天的短诗”，Planner 可能会生成一个计划：1.调用一个WeatherSkill的GetTomorrowWeather函数获取天气；2.调用一个WritingSkill的WritePoem函数，并将天气信息作为输入。
  • 跨语言支持：目前主要支持 C#, Python 和 Java，并致力于提供一致的开发体验。

• Semantic Kernel 技能调用流程示意图 (文本描述)：

• Semantic Kernel 规划器流程示意图 (文本描述)：

• 应用场景：

  • 为现有企业应用赋能：在 CRM、ERP 或 Office 插件中嵌入智能助手 (Copilot) 功能。
  • 构建智能业务流程自动化：将需要人类判断和自然语言理解的环节交由 LLM 处理，其他环节由传统代码执行。
  • 创建可重用的 AI 插件 (Skills)：将特定领域的 AI 能力封装成技能，供不同应用调用。
  • 将自然语言作为应用程序的新接口：允许用户通过自然语言与复杂系统交互。

LlamaIndex 🦙📄：LLM 的专业级数据框架与 RAG 利器

LlamaIndex 是一个专注于将 LLM 与外部数据源连接的数据框架，是构建高效、强大的 RAG 应用的核心工具。它提供了从数据摄取、索引构建到查询执行的完整解决方案。

• 核心理念：为 LLM 提供一个简单、灵活且优化的方式来访问和利用私有或领域特定的数据，从而增强 LLM 的知识范围和回答相关性。

• 关键特性详解：

  • 数据连接器/读取器 (Data Connectors / Readers)：极其强大的数据摄取能力，支持超过150种数据源。
    • 文件类：PDF, DOCX, TXT, Markdown, CSV, Excel, PowerPoint, Images (OCR), Audio (transcription)。
    • SaaS 应用：Notion, Slack, Salesforce, Google Drive, OneDrive, Asana, Trello, Jira, GitHub, Discord。
    • 数据库：PostgreSQL, MySQL, MongoDB, Snowflake, SQL Server, Elasticsearch。
    • APIs：可以自定义连接器调用任意 API。
  • 节点 (Nodes)：文档被加载和解析后，会转换成 Node 对象。一个 Node 代表一个文本块 (chunk)，并包含文本内容、元数据 (metadata)、以及与其他节点的关系 (relationships)。
  • 索引结构 (Index Structures)：LlamaIndex 提供了多种索引类型来组织 Node，以适应不同的查询需求。
    • VectorStoreIndex：最常用的索引，将 Node 的文本嵌入存储在向量数据库中，通过语义相似度进行检索。与 FAISS, Pinecone, Weaviate, Chroma, Qdrant 等深度集成。
    • ListIndex：按顺序存储 Node，适合顺序问答或对所有内容进行总结。
    • TreeIndex：将 Node 组织成层级树状结构（通常是摘要树），父节点是子节点的摘要。查询时可以自顶向下或自底向上遍历。
    • KeywordTableIndex：从 Node 中提取关键词，构建关键词到 Node 的映射，支持基于关键词的检索。
    • KnowledgeGraphIndex：从文本中提取实体和关系，构建知识图谱索引，支持结构化查询和推理。
    • 组合索引 (Composable Indexes)：可以将不同类型的索引组合起来，例如先用关键词索引粗筛，再用向量索引精排。
  • 检索器 (Retrievers)：从索引中检索与查询相关的 Node。LlamaIndex 提供了多种配置选项，如 similarity_top_k (返回最相似的k个节点)、元数据过滤等。
  • 节点后处理器 (Node Postprocessors)：在检索到 Node 之后，但在传递给 LLM 合成答案之前，对 Node列表进行进一步处理，如重新排序、过滤低分节点、关键词高亮等。
  • 响应合成器 (Response Synthesizers)：获取检索到的 Node 列表和原始查询，然后使用 LLM 来生成最终的自然语言答案。提供了多种合成策略：
    • refine：逐个处理检索到的文本块，迭代地优化答案。
    • compact：将尽可能多的文本块塞进 LLM 的上下文窗口进行一次性回答。
    • tree_summarize：层级式总结，先总结小块，再总结小块的总结，适合大量文本。
  • 查询引擎 (Query Engines)：封装了从查询到生成答案的整个流程（检索 -> 后处理 -> 合成）。
  • 聊天引擎 (Chat Engines)：在查询引擎的基础上增加了对话记忆，支持多轮 RAG 对话。
  • 代理 (Agents)：LlamaIndex 也提供了 Agent 框架，其 Agent 可以使用 LlamaIndex 的查询引擎作为工具 (QueryEngineTool) 来访问和推理数据。

• LlamaIndex 数据索引流程示意图 (文本描述)：

• LlamaIndex 查询流程示意图 (文本描述)：

• 应用场景：

  • 构建任何基于私有数据的问答系统：无论是公司内部文档、个人笔记、研究论文库还是特定领域的知识库。
  • 多模态 RAG：结合文本、图像、音频数据进行问答。
  • 结构化数据分析与问答：将结构化数据（如 SQL 数据库）与非结构化数据结合起来，通过自然语言进行查询和分析。
  • 知识图谱构建与问答：从文本中自动构建知识图谱，并基于图谱进行复杂推理。
  • Agentic RAG：创建能够主动查询、分析和综合来自不同数据源信息的智能代理。

总结与选择考量

这些框架各有侧重，但目标都是为了让开发者更高效地利用 LLM 的强大能力。

• 如果您需要一个功能全面、社区庞大、拥有大量预置组件和灵活编排能力的框架，并且希望快速原型化和构建复杂的Agentic应用或RAG流程，LangChain 通常是首选。
• 如果您专注于构建生产级别的、高性能的语义搜索或问答系统，并且非常重视系统的评估、可扩展性和与传统信息检索技术的结合，Haystack 会是一个非常专业的选择。
• 如果您想探索多智能体协作、任务自动化和人类参与的复杂对话系统，特别是需要代理之间进行精细的交互和代码执行，AutoGen 提供了独特的范式。
• 如果您希望以一种**更接近传统软件工程的方式将AI能力（尤其是LLM）轻量级地集成到现有应用程序（特别是C#, Python, Java技术栈）**中，并强调技能的复用和AI与业务逻辑的融合，Semantic Kernel 是一个优秀的选择。
• 如果您项目的核心在于处理和连接多样化的外部数据源以增强LLM（即RAG是关键），并且需要对数据的摄取、索引、查询进行深度优化和精细控制，LlamaIndex 在数据处理方面提供了无与伦比的深度和广度。

在实际项目中，这些框架并非完全互斥，有时甚至可以结合使用它们各自的优势组件。例如，使用 LlamaIndex 构建强大的数据索引和检索器，然后将其作为 LangChain Agent 的一个工具。理解它们的核心设计理念和优势，将帮助您为您的 LLM 应用选择最合适的架构和工具。