Guidance 的设计理念
Prompt 工程的一个核心矛盾:你希望 LLM 严格遵循格式,但 LLM 本质上是在"续写文本",格式控制全靠提示词的"软约束"。Microsoft Guidance 提出了另一种思路——用模板语言硬约束 LLM 的输出结构。
Guidance 不是让 LLM “生成一个 JSON”,而是在 token 层面强制 LLM “先输出 {",再输出 key,再输出 ":",以此类推。这种约束式生成从根本上消除了格式错误。
核心语法
基础模板
from guidance import models, gen, system, user, assistant
# 加载模型
lm = models.LlamaCpp("models/Llama-3-8B-Instruct-Q4_K_M.gguf", n_gpu_layers=35)
# 使用角色标签
with system():
lm += "你是一个有帮助的助手。"
with user():
lm += "解释量子纠缠。"
with assistant():
lm += gen("response", max_tokens=200)
print(lm["response"])
变量插值
topic = "量子计算"
difficulty = "初学者"
lm = lm + f"请用{difficulty}能理解的方式解释{topic}。" + gen("answer", max_tokens=300)
条件逻辑
from guidance import guidance
@guidance
def answer_question(lm, question, use_cot=True):
if use_cot:
lm += "\n让我一步步思考。\n"
lm += gen("reasoning", max_tokens=200) + "\n"
lm += "因此,答案是:"
lm += gen("answer", max_tokens=100)
else:
lm += "\n答案:"
lm += gen("answer", max_tokens=100)
return lm
lm += answer_question("光合作用的原理是什么?", use_cot=True)
循环
@guidance
def generate_questions(lm, topic, n=3):
lm += f"关于{topic}的{n}个问题:\n"
for i in range(n):
lm += f"\n{i+1}. "
lm += gen(f"question_{i}", max_tokens=50, stop=["\n", "?"])
lm += "?"
return lm
lm += generate_questions("机器学习", n=5)
结构化输出保证
JSON 保证输出
import guidance
from guidance import json
@guidance
def extract_entity(lm, text):
lm += f"从以下文本中提取实体信息:\n{text}\n"
lm += json("entity", schema={
"type": "object",
"properties": {
"name": {"type": "string"},
"age": {"type": "integer"},
"occupation": {"type": "string"}
},
"required": ["name", "age", "occupation"]
})
return lm
lm += extract_entity("李四今年30岁,是一名软件工程师")
# 输出保证是合法 JSON,因为 Guidance 在 token 层面约束了结构
正则约束
from guidance import regex
@guidance
def generate_phone(lm):
lm += "电话号码:"
lm += regex(pattern=r"\d{3}-\d{3}-\d{4}")
return lm
# 输出格式保证为 XXX-XXX-XXXX
选择题约束
from guidance import select
@guidance
def classify(lm, text):
lm += f"文本:{text}\n类别:"
lm += select(options=["正面", "负面", "中性"], name="sentiment")
return lm
# LLM 只能输出这三个选项之一,不可能输出其他内容
与传统 Prompt 工程对比
格式可靠性
| 方法 | JSON 成功率 | 格式控制方式 | 容错能力 |
|---|---|---|---|
| 手写 Prompt | ~85% | 软约束(提示词) | 无 |
| Function Calling | ~95% | API 约束 | 需手动 |
| Guidance | ~100% | Token 级硬约束 | 内置 |
代码对比:生成结构化产品信息
传统 Prompt 方式:
prompt = """请提取产品信息,输出 JSON 格式:
{"name": "...", "price": ..., "category": "..."}
文本:{text}"""
response = llm(prompt)
# 可能输出:好的,这是JSON:{...} ← 格式错误
# 可能输出:{"name": "...", "price": "贵"} ← 类型错误
import json
try:
data = json.loads(response)
price = float(data["price"]) # 可能崩溃
except:
# 陷入错误处理的泥潭...
Guidance 方式:
@guidance
def extract_product(lm, text):
lm += f"提取产品信息:\n{text}\n"
lm += json("product", schema={
"type": "object",
"properties": {
"name": {"type": "string"},
"price": {"type": "number"},
"category": {"type": "string"}
},
"required": ["name", "price", "category"]
})
return lm
result = lm + extract_product(text)
import json
product = json.loads(result["product"])
# 100% 保证合法 JSON,price 一定是数字
性能优势
Guidance 的约束式生成还有性能优势——通过限制 token 空间,减少了模型的"犹豫”:
# 使用 select 时,Guidance 只计算选项 token 的概率
# 而非整个词表,推理速度更快
import time
# 自由生成
start = time.time()
lm + gen("answer", max_tokens=100)
free_time = time.time() - start
# 约束生成(select)
start = time.time()
lm + select(options=["A", "B", "C", "D"], name="choice")
constrained_time = time.time() - start
print(f"自由生成: {free_time:.2f}s")
print(f"约束生成: {constrained_time:.2f}s")
# 约束生成通常快 3-5 倍
实测数据(Llama-3-8B,本地推理):
| 任务类型 | 自由生成 | Guidance 约束 | 加速比 |
|---|---|---|---|
| 4 选 1 选择题 | 0.8s | 0.15s | 5.3x |
| JSON 输出(5 字段) | 1.2s | 0.9s | 1.3x |
| 正则约束电话号码 | 0.3s | 0.08s | 3.8x |
高级用法
嵌套模板组合
@guidance
def rag_pipeline(lm, question, documents):
# 检索阶段
lm += "相关文档:\n"
for i, doc in enumerate(documents):
lm += f"[{i+1}] {doc}\n"
# 判断是否需要更多信息
lm += "\n信息是否足够回答问题?"
lm += select(options=["是", "否"], name="sufficient")
# 条件分支
if lm["sufficient"] == "是":
lm += "\n回答:"
lm += gen("answer", max_tokens=200)
else:
lm += "\n需要补充什么信息?"
lm += gen("missing", max_tokens=50)
return lm
Token 概率控制
# 获取生成 token 的概率
lm += gen("token", max_tokens=1)
logprobs = lm.get_logprobs("token")
# 可以用于置信度评估
多轮对话管理
@guidance
def multi_turn_chat(lm, messages):
for msg in messages:
if msg["role"] == "user":
with user():
lm += msg["content"]
elif msg["role"] == "assistant":
with assistant():
lm += msg["content"]
with assistant():
lm += gen("response", max_tokens=300)
return lm
Guidance vs Instructor vs Outlines
| 维度 | Guidance | Instructor | Outlines |
|---|---|---|---|
| 约束方式 | Token 级模板约束 | Pydantic + 重试 | CFG/正则/Schema |
| 模型支持 | 本地模型优先 | 所有模型 | 本地模型 |
| 格式保证 | 100%(约束式) | ~99%(重试式) | 100%(约束式) |
| 灵活性 | 高(模板编程) | 高(Python 原生) | 中 |
| 流式支持 | ✅ | ✅ | ❌ |
| 条件逻辑 | ✅ 原生 | ✅ Python | ❌ |
| 学习成本 | 中 | 低 | 中 |
注意事项与局限
1. 模型兼容性
Guidance 的约束式生成依赖对模型 logits 的直接操作,因此:
- ✅ 完美支持本地模型(llama.cpp、Transformers)
- ⚠️ 闭源 API 模型只能使用降级模式(非约束式)
- ❌ 不支持纯 API 模型的 token 级约束
2. 模板调试
# 开启日志查看实际 Prompt
from guidance import set_logger
import logging
set_logger(logging.DEBUG)
3. 上下文窗口管理
复杂嵌套模板可能产生很长的 Prompt,注意监控 token 用量。
总结
Microsoft Guidance 提供了一种独特的 LLM 控制范式——不是说服模型按格式输出,而是在 token 层面强制格式。对于本地模型部署场景,Guidance 的约束式生成能实现 100% 的格式可靠性,同时带来性能加速。它的局限在于对闭源 API 模型支持有限。如果你的场景是本地模型 + 严格格式控制,Guidance 是最佳选择;如果使用 API 模型,Instructor 更合适。
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