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什么是LLM的结构化输出能力？

在一些工业级LLM应用或比较复杂的LLM应用编排环节，我们需要用LLM的输出作为下一环节的输入，而这个过程往往对LLM输出的格式有一定要求，比如JSON、XML、YAML、CSV、Markdown 表格和HTML 等比较常见的格式。因此我们需要通过各种方式手段让LLM具备符合我们期望的结构化输出能力，即模型能够按照用户指定的格式或规则生成内容（而不仅仅是自由形式的文本）的能力。这种能力使LLM的输出结果更易于被程序解析、集成到自动化流程中，以一种更为可控的方式满足特定落地场景的需求。

如何让LLM具备该能力？

以下内容参考自 langchain官方文档教程：How to return structured data from a model （内容&代码解释由Deepseek-R1部分帮忙完成）

调用 with_structured_output() 函数是一种最为简单且可靠的结构化LLM输出的方式。它专为支持原生APIs对输出进行结构化的模型设计（例如工具 / 函数调用或 JSON 模式），并在底层直接调用LLM原生具备的这些能力。

该方法通过接收一个 模式（schema） 来指定输出属性的名称、类型和描述，返回一个类似模型的 Runnable 对象。与普通模型不同，此对象输出的不是字符串或消息，而是符合指定模式的结构化对象。模式可通过以下三种方式定义：

1. TypedDict 类（类型化字典）：Runnable 返回字典
2. JSON Schema（JSON 模式）：Runnable 返回字典
3. Pydantic 类：返回 Pydantic 对象

接下来我们用实际的示例代码具体看以上三种方式的落地实现。

目标：希望LLM根据用户输入的信息生成相关的笑话并将该笑话的铺垫（set up）和笑点（punchline）分离出来，并同时给这个笑话的好笑程度以十分制进行打分（rating）。

1. Pydantic 类

代码如下：

# 导入所需库
from langchain_ollama import ChatOllama  # Ollama聊天模型接口
from typing import Optional             # 用于定义可选类型
from pydantic import BaseModel, Field   # 数据验证和字段定义工具# 初始化Ollama聊天模型
llm = ChatOllama(model="llama3.1:latest",   # 指定使用的模型版本temperature=0.8            # 控制生成随机性（0-1，越高越有创意）
)# 使用Pydantic定义结构化输出格式
class Joke(BaseModel):"""Joke to tell user."""setup: str = Field(description="The setup of the joke")  # 必填字段，字符串类型punchline: str = Field(description="The punchline to the joke") rating: Optional[int] = Field(  # 可选字段，整型（可为None）default=None, description="How funny the joke is, from 1 to 10")# 将模型包装为结构化输出生成器
structured_llm = llm.with_structured_output(Joke)  # 绑定Pydantic模型到LLM# 调用结构化模型生成内容
result = structured_llm.invoke("Tell me a joke about cats")  # 输入提示词

让LLM讲一个关于猫猫的笑话，结构化输出如下：

print(result)
# result变量是Joke()这个Pydantic类的对象
setup='Why did the cat join a band?' punchline='Because it wanted to be a purr-cussionist' rating=8# 将对象的三个属性打印出来
print(result.setup)
Why did the cat join a band?
print(result.punchline)
Because it wanted to be a purr-cussionist
print(result.rating)
8

使用上述这种基于Pydantic类对LLM输出进行格式化方法时，除了类的字段结构定义，以下元素对结构化输出的生成也是至关重要：

1. 类名称（如Joke）
   作为模型理解任务类型的提示（例如生成笑话）。
2. 类的文档字符串（如"""Joke to tell user."""）
   描述类的整体目的，为模型提供上下文。
3. 字段名称与描述（如description="笑话的铺垫部分"）
   明确每个字段的具体含义和预期内容。

底层实现原理

大多数情况下，with_structured_output() 方法利用模型的 函数/工具调用接口（Function/Tool Calling API）。从开发者视角可以理解为：上述所有元数据信息（类名、文档字符串、字段描述）实际上都会被整合到模型的输入提示中，指导其生成符合规范的结构化输出。

设计建议

• 语义清晰的类名：使用WeatherReport而非Data等泛化名称
• 详细的文档字符串：明确说明生成任务的目标和范围
• 精准的字段描述：避免模糊定义（如用"用户年龄（1-100岁）"替代"年龄"）

这些元数据共同构成模型的“结构化生成指南”，将直接影响输出的准确性和可控性。

2. TypedDict 类

若有以下需求，可通过 TypedDict 定义模式（Schema）而非基于Pydantic 类的方式：

1. 不需要参数验证：希望跳过 Pydantic 的数据类型检查。
2. 需要流式输出：支持逐步生成结构化内容而非一次性返回。
3. 避免依赖 Pydantic：简化项目依赖或适配其他数据模型框架。

示例代码如下：

# 导入所需库
from typing import Optional  # 支持可选类型
from typing_extensions import Annotated, TypedDict  # 类型扩展工具
from langchain_ollama import ChatOllama  # Ollama聊天模型接口# 初始化Ollama聊天模型
llm = ChatOllama(model="llama3.1:latest",  # 指定模型版本temperature=0.8  # 控制生成随机性（0-1，越高越有创意）
)# 使用TypedDict定义结构化输出格式（不包含数据验证）
class Joke(TypedDict):"""Joke to tell user."""# Annotated语法结构：[类型, 默认值（可选）, 描述]# setup字段：字符串类型，必须生成，无默认值，带描述setup: Annotated[str, ..., "The setup of the joke"]  # 等同于 Field(description="...")# 以下是替代写法示例（注释掉的代码）：# setup: str                    # 最简单写法：只有类型，无默认值和描述# setup: Annotated[str, ...]    # 等效于上方的简单写法# setup: Annotated[str, "foo"]  # 带默认值但无描述的写法（默认值仅用于提示构造）# punchline字段：字符串类型，必须生成，无默认值，带描述punchline: Annotated[str, ..., "The punchline of the joke"]# rating字段：可选整型，默认值为None，带描述rating: Annotated[Optional[int], None, "How funny the joke is, from 1 to 10"]# 将模型包装为结构化输出生成器（使用TypedDict模式）
structured_llm = llm.with_structured_output(Joke)

结构化输出如下（result是一个dict类型的变量）：

# 调用模型生成结构化内容
# 注意：即使定义默认值（如rating的None），若模型未生成该字段，值仍会缺失
# 需要通过代码处理可能的缺失字段（例如 result.get("rating", None)）
result = structured_llm.invoke("Tell me a joke about cats")
print(result)  # 示例输出：{'setup': '...', 'punchline': '...', 'rating': 7}
{'punchline': 'Why did the cat join a band? Because it wanted to be the purr-cussionist!', 'rating': 8, 'setup': 'A cat walks into a music store and says...'}

3. JSON Schema

和通过 TypedDict 定义模式（Schema）的实现效果一致，只不过是通过定义JSON Schema格式的方式而非定义TypedDict 子类来创建结构化输出模板（和让LLM支持function calling的方法大同小异）。

示例代码如下：

from langchain_ollama import ChatOllama  # 导入Ollama聊天模型接口# 初始化Ollama聊天模型
llm = ChatOllama(model="llama3.1:latest",  # 指定使用的模型版本（需与本地/服务器部署的模型一致）temperature=0.8            # 控制生成随机性（0-1，越高越有创意）
)# 定义JSON Schema格式的结构化输出模板
json_schema = {"title": "joke",          # 模式标题（用于模型理解生成内容的类型）"description": "Joke to tell user.",  # 模式描述（整体任务说明）"type": "object",         # 指定输出为JSON对象"properties": {           # 定义对象的各个字段"setup": {            # 必填字段：笑话的铺垫部分"type": "string", # 字段类型为字符串"description": "The setup of the joke",},"punchline": {        # 必填字段：笑话的笑点部分"type": "string","description": "The punchline to the joke",},"rating": {           # 可选字段：笑话评分（1-10）"type": "integer","description": "How funny the joke is, from 1 to 10","default": None,  # 默认值为None（若模型未生成则保留空值）},},"required": ["setup", "punchline"],  # 必须包含的字段（rating为可选）
}# 将模型包装为结构化输出生成器（基于JSON Schema）
structured_llm = llm.with_structured_output(json_schema)

结构化输出如下（result是一个dict类型的变量）：

# 调用模型生成结构化内容
# 注意：
# 1. 即使定义了rating的默认值None，若模型未生成该字段，结果中可能不存在此键
# 2. 输出为标准的Python字典，可通过result["setup"]访问字段值
# 3. JSON Schema不执行自动数据验证（与Pydantic不同），需自行处理类型错误
result = structured_llm.invoke("Tell me a joke about cats")
print(result) 
{'punchline': 'Why did the cat join a band? Because it wanted to be the purr-cussionist!', 'rating': 8, 'setup': 'A cat walked into a music store and asked the owner if he could join his band.'}

小结

在本篇博客中，我们学习了如何通过最简单高效的 with_structured_output() 方法调用的方式让LLM具备结构化输出的能力。在具体实现时，有三种可选方式可对输出格式进行规范，分别是基于 TypedDict 类（类型化字典）、JSON Schema（JSON 模式）和 Pydantic 类。当然，除了本篇博客中提到的实现方式，还存在多种其他技术方案可对模型输出进行结构化控制。例如：

• 小样本示例引导（Few-shot prompting）：通过提供输入 - 输出样例指导模型生成格式；
• 结构化方法指定（Specifying the method for structuring outputs）：显式定义 JSON、XML 等数据格式规则；
• 直接解析模型输出（Direct prompting and parsing）：结合自然语言指令与后处理解析逻辑。

关于这些技术的具体实现与应用场景，我们后续博客再见，感兴趣的朋友可以持续关注。