亲爱的Prompt读者朋友们，或许你认为掌握了某种Prompt技术已经可以天下无敌，没什么解决不了的问题啦，那是你还没有进入AI应用的深水区！当你被无休止的Token消耗和脆弱的甚至是垃圾般的输出，一遍一遍倒逼着优化Prompt时，你可能才会深深体会到人与机器沟通的无力。所以，和机器沟通的事情还是交给机器自己去办吧。

你肯定体验过，为了高质量的输出，你可能写出卑躬屈膝极具谄媚之词，冷静下来时你都不会相信那是出自你手别再写脆弱的prompt讨好LLM啦！快用DSPy拯救你宝贵的prompt思维，偷偷甩掉99%的人。假设，我是说假设，你在DSPy上稍微用点功夫，聪明的你重磅 | DSPy让你不写一句Prompt照样构建Agent，从此，你不再卑躬屈膝讨好LLM

DSPy（发音为：[di:s'pai]）声明式自我优化语言程序（Python）（“Declarative Self-improving Language Programs（in Python）"，是斯坦福大学的Omar Khattab（第一作者）团队2022年最早提出的一种改善大语言模型能力的框架（DSP，DEMONSTRATE-SEARCH-PREDICT《演示-搜索-预测：知识密集型NLP的组合检索和语言模型》），2023年又发布论文《DSPy：编译声明性语言模型调用到自我改进管道》正式称为DSPy，2024年该论文被ICLR收录（ICLR，人工智能顶级会议，全称：International Conferrence onLearning Representations,国际表征学习大会），DSPy现已被谷歌、亚马逊、IBM、VMware、Databricks以及众多初创公司作为应用程序框架广泛应用于AI产品开发。

Omar Khattab目前是斯坦福大学的博士候选人（2024年6月毕业），2019年Omar毕业于卡梅隆大学计算机科学专业，目前也是AI/ML的Apple博士学者。他构建了检索模型以及基于检索的NLP系统，这些系统可以利用大型文本集合来高效透明地制作知识丰富的响应。Omar是ColBERT检索模型的作者，该模型是神经检索领域发展的核心，也是ColBERT-QA和Baleen等几个衍生NLP系统的作者。他最近的工作包括使用语言模型（LM）和检索模型（RM）解决高级任务的DSPy框架，以下是他近半年的会议演讲主题。

作为人工智能领域最具创新力的研究之一，DSPy给prompt工程带来了全新的编程范式。Omar在一次会议中提到，prompt工程应该将重点从调整 LM 转移到良好的总体系统设计上。而DSPy中模拟了可用于DNN（深度神经网络）的硬件，将LM 抽象为设备，通过类似于 DNN 的抽象概念执行指令。

你可能会认为：我的文章标题有些夸张，一是因为算法使然，要不你我不会因此结缘；二是的确如实反映了目前的发展状态和你的预期不一致，所以你会有文章标题夸张的感觉。可能事实过于残忍，但事实就是下面这张图上你看到的这样：手写Prompt已经被Signatures（签名）代替，各种CoT等牛X的Prompt技术被Modules封装，让你引以为傲的Prompt优化已经可以自动完成，而你却一无所知。

在这篇文章中，我们将带你深入探索DSPy的核心理念、实现步骤和三个难点（篇幅原因先介绍前两个），（看不懂代码没关系，多看看你也就明白了）展现它在提高语言模型效率和可解释性方面的独特优势。

伴随着ChatGPT、GPT-4等大型语言模型的出现，自然语言处理进入了一个全新的发展阶段。如今，研究人员和从业者面临的核心挑战不再是如何让模型"学会"完成某项任务，而是如何精准指导和调节这些庞大且通用的模型，使其输出满足特定应用场景的需求。

在此背景下，Prompt工程应运而生。通过精心设计的Prompt，人们可以指导语言模型按照某种预期的模式输出。然而，传统的Prompt工程依赖于大量的人工调试和试错，其效率和可重复性都受到了严重影响，prompt的脆弱性，大语言模型LLM的幻觉产生的精确性等问题，哪一个问题都是目前AI应用落地的绊脚石。DSPy的出现可能会彻底改变这种现状，它将Prompt工程转化为一个自优化过程，使语言模型的调用和应用变得更加高效和可解释。

DSPy的核心思想

DSPy的核心思想是将语言模型视为一种独特的"设备"，类似于我们在深度学习中使用的CPU和GPU。在DSPy中，您只需声明所需的"自然语言签名"(Natural Language Signatures)，而不必操心具体的Prompt实现细节（事实上我们经过一年的实践发现，你操心那些细节意义也不大，改变不了LLM输出不稳定的事实）。这样理解DSPy：根据这些签名，DSPy可自动生成、优化和微调Prompt，最终输出符合预期的结果。

为了实现上述过程，DSPy引入了三个关键概念:

1. 自然语言签名(Natural Language Signatures)

与其规定模型应如何被Prompt，不如直接说明它应该做什么。自然语言签名就是这样一种声明性描述，它只关注输入和期望输出，而不涉及具体实现。

例如，您可以声明一个签名为"输入为文档，输出为摘要"。根据这个签名，DSPy会自动生成合适的Prompt，无需您手动构造。这种抽象化的方式大大提高了灵活性和可重用性。

2. 模块(Modules)

模块是对Prompt技术(如Chain of Thought、Program of Thought等)的抽象和封装。每个模块都关联一个自然语言签名，并内部实现了相应的Prompt流程。

您可以直接调用这些模块，而不必了解它们的具体实现细节。这为模块的复用和组合提供了基础，使构建复杂pipeline系统成为可能。

3. 优化器(Optimizers)

优化器的作用是将您的程序(由多个模块组成)自动编译为高质量的Prompt或微调后的模型权重，以最大化您所关注的指标。

在编译过程中，优化器会考虑多种因素，如Prompt指令、示例数据等，并通过离散优化寻找最优解。这确保了您的pipeline能够高效地产出所需的结果。

通过自然语言签名、模块和优化器的有机结合，DSPy实现了一种全新的"声明式"编程范式。您只需关注任务本身，而不必纠结于Prompt工程的具体细节。这不仅极大地提高了开发效率，也为复杂系统的构建和可解释性奠定了基础。

使用DSPy的8个步骤

正如我们在下面讨论的，你将定义你的任务和你想要最大化的指标，并准备一些示例输入—通常没有标签（或者只有最终输出的标签，如果你的指标需要它们）。然后，通过选择要使用的内置层（ modules ），为每个层指定 signature （输入/输出规范），然后在Python代码中自由调用模块来构建管道。最后，您可以使用DSPy optimizer 将代码编译为高质量的指令、自动少量示例或LM权重。

1)定义你的任务

如果没有定义要解决的问题，就不能很好地使用DSPy。

预期的输入/输出行为：您是否试图在您的数据上构建聊天机器人？密码助理？从论文中提取信息的系统？或者是翻译系统？或者是一个突出显示搜索结果中的片段的系统？或者是一个系统来总结一个主题的信息，并附有引用？

通常只给出3-4个程序输入和输出的例子是很有用的（例如，问题及其答案，或主题及其摘要）。

质量和成本规格：你可能没有无限的预算。最终的系统运行起来不会太昂贵，而且它应该能够足够快地响应用户。

2)定义你的管道

您的DSPy程序应该做什么？它可以只是一个简单的思想链步骤吗？或者你需要LM来使用检索？或者其他工具，比如计算器或日历API？

是否有一个典型的工作流程，可以通过多个明确定义的步骤来解决您的问题？或者你想要一个完全开放的LM（或开放式工具与代理一起使用）来完成你的任务？

想想这个空间，但总是从简单的开始。几乎每个任务都应该从一个单独的dspy.ChainofThought模块开始，然后逐渐增加复杂性。

然后编写您的（初始）DSPy程序。同样：从简单开始，让接下来的几个步骤指导你将添加的任何复杂性。

3)探索几个例子

到目前为止，你可能已经有了一些你试图解决的任务的例子。

通过你的管道运行它们。考虑在这一点上使用一个大而强大的LM，或者几个不同的LM，只是为了了解什么是可能的。(DSPy将使交换这些LM相当容易—LM指南。）

在这一点上，你仍然在使用你的管道zero—shot，所以它离完美还很远。DSPy将帮助您优化下面的指令，少量示例，甚至LM调用的权重，但了解零次使用中的错误将有很长的路要走。

记录下你尝试的有趣的（简单和困难的）例子：即使你没有标签，简单地跟踪你尝试的输入对下面的DSPy优化器也很有用。

4)定义您的数据

现在是时候更正式地声明用于DSPy评估和优化的训练和验证数据了—数据指南。

您可以使用DSPy优化器有效地使用10个示例，但拥有50-100个示例（甚至更好，300-500个示例）会有很长的路要走。

你怎么能得到这样的例子？如果你的任务是非常不寻常的，请投资准备~10个例子的手。通常情况下，根据下面的指标，你只需要输入而不是标签，所以这并不难。

然而，很有可能你的任务实际上并不是那么独特。你几乎总是可以找到一些相邻的数据集，比如说，HuggingFace数据集或其他形式的数据，你可以在这里利用。

如果有数据的许可证足够宽松，我们建议您使用它们。否则，您也可以开始使用/部署/演示您的系统，并以这种方式收集一些初始数据。

5)定义你的指标

是什么让你的系统输出是好还是坏？投资于定义指标，并随着时间的推移逐步改进它们。要持续改进你无法定义的东西真的很难。

指标只是一个函数，它将从您的数据中获取示例，并获取系统的输出，然后返回一个量化输出有多好的分数-指标指南。

对于简单的任务，这可能只是“准确性”或“精确匹配”或“F1分数”。这可能是简单分类或简短形式QA任务的情况。

但是，对于大多数应用程序，您的系统将输出长格式输出。在那里，你的指标可能应该是一个较小的DSPy程序，检查输出的多个属性（很可能使用来自LM的AI反馈）。

在第一次尝试时就做到这一点是不可能的，但你应该从简单和容易的事情开始。(If你的指标本身就是一个DSPy程序，请注意，最强大的方法之一是编译（优化）你的指标本身。这通常很容易，因为度量的输出通常是一个简单的值（例如，满分为5分），因此该指标的指标很容易通过收集一些示例来定义和优化。

6)收集初步的“Zero/Few shot”评价

现在您已经有了一些数据和指标，在运行任何优化器之前，在管道上运行评估。看看输出和指标分数。这可能会让你发现任何重大问题，并为你的下一步定义一个基线。

7)使用DSPy优化器编译

给定一些数据和指标，我们现在可以优化您构建的程序—优化器指南。

DSPy包括许多做不同事情的优化器。请记住：DSPy优化器将创建每个步骤的示例，工艺指令和/或更新LM权重。一般来说，您不需要为管道步骤提供标签，但您的数据示例需要具有输入值和指标所需的任何标签（例如，如果指标是无引用的，则没有标签，但在大多数情况下，最终输出标签除外）。

以下是优化器入门的一般指导：

如果你只有很少的数据，例如10个任务示例，使用 BootstrapFewShot

如果你有更多的数据，例如你的任务的50个例子，使用 BootstrapFewShotWithRandomSearch 。

如果你有更多的数据，例如300个或更多的例子，使用 MIPRO 。

如果你已经能够使用其中一个与一个大的LM（例如，7B参数或以上），并需要一个非常有效的程序，编译到一个小LM与 BootstrapFinetune 。

8)迭代

在这一点上，你要么对一切都很满意（我们已经看到相当多的人在第一次尝试DSPy时就做对了），或者更有可能的是，你已经取得了很大的进展，但你不喜欢最终的程序或指标。

在这一点上，回到步骤1，重新审视主要问题。你是否很好地定义了你的任务？您是否需要为您的问题收集（或在线查找）更多数据？你想更新你的指标吗？你想使用更复杂的优化器吗？您是否需要考虑像DSPy断言这样的高级功能？或者，也许最重要的是，您是否希望在DSPy程序本身中添加更多的复杂性或步骤？你想在一个序列中使用多个优化器吗？

迭代开发是关键。DSPy为您提供了增量执行的部分：迭代您的数据、程序结构、断言、度量和优化步骤。

三个难点：

以上8步，最为关键和难以理解的是度量Metric、断言Assertions和优化器Optimizers ，篇幅原因只讲前两个。

度量Metric

DSPy的Mretrics是一个Python函数，它根据您的数据评估程序的输出，提供一个分数来量化性能—越高越好。度量函数涉及三个参数：数据集的示例 example ，程序的输出（也称为预测）和 trace ，我们现在将其放在一边。这个函数的本质是返回一个分数，它可以表现为 float 、 int 或 bool 。

def parse_integer_answer(answer, only_first_line=True):
    try:
        if only_first_line:
            answer = answer.strip().split('\n')[0]

        # find the last token that has a number in it
        answer = [token for token in answer.split() if any(c.isdigit() for c in token)][-1]
        answer = answer.split('.')[0]
        answer = ''.join([c for c in answer if c.isdigit()])
        answer = int(answer)

    except (ValueError, IndexError):
        # print(answer)
        answer = 0
    
    return answer

# Metric Function
def gsm8k_metric(gold, pred, trace=None) -> int:
    return int(parse_integer_answer(str(gold.answer))) == int(parse_integer_answer(str(pred.answer)))

解释一下：这段代码使用 parse_integer_answer 函数分别解析 gold.answer 和 pred.answer，将解析出的整数进行比较。如果两个整数相同，则返回 1（表示预测正确）；否则返回 0（表示预测错误）。

这段代码Metric的作用主要用于处理和评估那些答案是数字型的问题，确保模型预测的数字与真实答案相匹配。

DSPy Assertions

断言部分您可以看一下作者的一篇论文DSPy Assertions，里面对Assertion的作用、原理做了详尽的解释：

LLM断言的本质

Assertion，这个词除了断言还可以翻译为声明、申述、宣称、表态、明确断定，明确主张，在DSPy语境下，你意译成为LLM明确主张会对后续理解有所帮助。LLM断言是一种程序化元素，用于规定LLM管道执行时必须满足的条件或规则。这些约束可确保管道的行为符合开发人员指定的不变量或准则，从而提高输出的可靠性、可预测性和正确性。

研究人员将LLM断言分为两个独特的构造：断言(Assertions)和建议(Suggestions)，分别用Assert和Suggest表示。它们是强制执行约束和指导LLM管道执行流程的构造。

Suggest与Assert的区别

与Assert不同，Suggest语句代表较为宽松的约束，建议但并不强制执行可能指导LLM管道朝着预期结果发展的条件。当建议条件不满足时，管道也会进入特殊的重试状态，允许重新尝试失败的LLM调用并进行自我完善。然而，与Assert不同的是，如果建议在最大重试次数后仍然失败，管道只会记录一条SuggestionError警告消息，而不会引发异常，而是继续执行下一个模块。这使得管道能够根据建议调整行为，同时保持灵活性和对次优状态的容错性。

基于断言的示例引导

LLM断言不仅可用于运行时监控，还可用于优化提示。DSPy中的BootstrapFewShot优化器采用教师-学生方法，使用教师模型为同一程序的学生模型引导代表性的少量示例。在引导步骤中，教师模型可以利用LLM断言作为额外的过滤器，引导出更加健壮的示例。

基于研究人员的观察，在某些情况下，DSPy中的naive优化器会引导出一个示例，其最终响应是正确的，但中间模块输出却是错误的，这导致了中间LLM模块的错误示例。为了启用基于断言的示例引导，研究人员在BootstrapFewShot优化器中对教师模型应用断言驱动的回溯。通过这种方式，所有引导的示例都保证遵循中间约束。尽管提示优化器只有最终答案的指标，但所选择的示例对于所有中间模块都具有更高的质量，这要归功于LLM断言。

在论文中，作者介绍了一个名为MultiHopQA的程序，用于多跳问答任务。它由三个模块组成：

class MultiHopQA(dspy.Module):
    def __init__(self):
        self.retrieve = dspy.Retrieve(k=3)
        self.gen_query = dspy.ChainOfThought("context,question -> query")
        self.gen_answer = dspy.ChainOfThought("context,question -> answer")

    def forward(self, question):
        context = []
        for hop in range(2):
            query = self.gen_query(context=context, question=question).query
            context += self.retrieve(query).passages
        return self.gen_answer(context=context, question=question)

现在，假设我们希望引入一个断言，即生成的查询应该足够简洁(少于100个字符)并且与问题高度相关。我们可以使用Suggest语句将其表示为：

from dspy import Suggestclass MultiHopQAWithAssert(dspy.Module):
    ...
    
    def forward(self, question):
        context = []
        for hop in range(2):
            query = self.gen_query(context=context, question=question).query
            Suggest(len(query) < 100 and is_relevant(query, question), 
                    "Query should be concise and relevant")
            context += self.retrieve(query).passages
        return self.gen_answer(context=context, question=question)

在BootstrapFewShot优化器中，当使用教师模型生成示例时，如果生成的查询违反了这一建议，则会触发断言驱动的回溯。教师模型将重新尝试生成查询，直到满足建议为止。

这篇论文DSPy Assertions验证了三个主要假设：

假设1：LLM断言确实能够通过在提示中显示过去的输出和错误信息，促进任意LLM管道的自动自我纠正和完善。

假设2：通过自我纠正，确实能为LLM管道带来更好的下游性能。

假设3：在提示优化中使用LLM断言，可以更好地引导和优化少量示例。

通过大量实验，他们证实了LLM断言在促进LLM自我完善、提高下游应用性能和引导高质量少量示例方面的卓越能力。

篇幅原因，关于优化器Optimizers 部分后续我写文章专门介绍。但在所有的模块中，我认为您应该最先理解或掌握的是signature和module部分，因为你一旦掌握这两个部分，就可以构建很多应用，比如，我原先写过不少Agent，发现这个DSPy后，我立即试了一下，效果还不错，尽管还有很多需要优化的地方，但不到100行代码，就可以作为Agent执行很复杂的推理任务，效果还不错。

篇幅原因以下是部分代码：

import os
import dspy
from transitions import Machine

# 使用本地配置初始化Ollama模型
llm = dspy.OllamaLocal(
    model='llama3', # 使用你希望的模型配置
    model_type='text', # 根据你的需求选择 'text' 或 'chat'
    base_url='http://host.docker.internal:11434', # 确保这是正确的本地服务器地址
    timeout_s=120,
    temperature=0.0,
---------------------------
    def execute(self):
        while self.state != 'concluded':
            if self.state == 'start':
                self.think()
            elif self.state == 'thought':
                self.act()
            elif self.state == 'acted':
                self.observe()
            elif self.state == 'observed':
                self.decide()

# 创建代理实例并以特定目标执行
agent = Agent(llm, objective="写一篇介绍Prompt的文章")
agent.execute()

在这个Agent中，我使用了有限状态机transitions这个Python的第三方库。有限状态机(Finite State Machine, FSM)是一种数学计算模型，它具有一系列的状态，以及规定如何从一个状态转移到另一个状态的规则。有限状态机广泛应用于计算机科学、编译器设计、人工智能、通信协议等诸多领域。使用transitions库，你也可以轻松地用面向对象的方式构建有限状态机模型，而不必从头编写复杂的状态转移逻辑。它使代码更加模块化、易于维护和扩展。以下是Agent的部分输出，全部输出一次有15000多Token

DSPy不仅解决了Prompt工程的效率和可解释性问题，更为构建复杂AI系统奠定了坚实基础。我认为它体现了人工智能发展的四个重要趋势:

1. 模块化设计和组合: 类似于深度学习框架将神经网络分解为可组合的层，DSPy将语言模型的各种能力封装为可组合的模块。这种模块化设计有利于复杂系统的构建和理解。

2. 自我优化和自动化: DSPy通过优化器自动生成、微调和编译Prompt，极大降低了手工调试的工作量。这预示着人工智能系统将朝着自优化和自动化的方向发展。

3. 设备抽象和声明式编程: DSPy将语言模型视为一种独特的"设备"，你只需声明需求而不用关心内部实现。这种抽象有利于人机合作，将人力从繁重的细节工作中解脱出来。

4. 可解释性和可重复性: DSPy的声明式编程范式赋予了系统更强的可解释性和可重复性，这对于交付符合预期行为的人工智能应用至关重要。

我在群里为你准备了这个Agent的代码，和输出内容的截图，关于DSPy的问题你可以来群里问我。另外，群里为你准备了开群以来大量的Prompt模板、模块和一些代码文件完整示例，等你来一起讨论！另外，如果你有更多关于论文里Prompt的问题也可以到群里来，我会耐心解答你的问题。

<本文完结>

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