第四章 智能体经典范式构建¶

import os
from openai import OpenAI
from dotenv import load_dotenv
from typing import List, Dict

# 加载 .env 文件中的环境变量
load_dotenv()

class HelloAgentsLLM:
    """
    为本书 "Hello Agents" 定制的LLM客户端。
    它用于调用任何兼容OpenAI接口的服务，并默认使用流式响应。
    """
    def __init__(self, model: str = None, apiKey: str = None, baseUrl: str = None, timeout: int = None):
        """
        初始化客户端。优先使用传入参数，如果未提供，则从环境变量加载。
        """
        self.model = model or os.getenv("LLM_MODEL_ID")
        apiKey = apiKey or os.getenv("LLM_API_KEY")
        baseUrl = baseUrl or os.getenv("LLM_BASE_URL")
        timeout = timeout or int(os.getenv("LLM_TIMEOUT", 60))

        if not all([self.model, apiKey, baseUrl]):
            raise ValueError("模型ID、API密钥和服务地址必须被提供或在.env文件中定义。")

        self.client = OpenAI(api_key=apiKey, base_url=baseUrl, timeout=timeout)

    def think(self, messages: List[Dict[str, str]], temperature: float = 0) -> str:
        """
        调用大语言模型进行思考，并返回其响应。
        """
        print(f"🧠 正在调用 {self.model} 模型...")
        try:
            response = self.client.chat.completions.create(
                model=self.model,
                messages=messages,
                temperature=temperature,
                stream=True,
            )

            # 处理流式响应
            print("✅ 大语言模型响应成功:")
            collected_content = []
            for chunk in response:
                if not chunk.choices:
                    continue

                content = chunk.choices[0].delta.content or ""
                print(content, end="", flush=True)
                collected_content.append(content)
            print()  # 在流式输出结束后换行
            return "".join(collected_content)

        except Exception as e:
            print(f"❌ 调用LLM API时发生错误: {e}")
            return None

# --- 客户端使用示例 ---
if __name__ == '__main__':
    try:
        llmClient = HelloAgentsLLM()

        exampleMessages = [
            {"role": "system", "content": "You are a helpful assistant that writes Python code."},
            {"role": "user", "content": "写一个快速排序算法"}
        ]

        print("--- 调用LLM ---")
        responseText = llmClient.think(exampleMessages)
        if responseText:
            print("\n\n--- 完整模型响应 ---")
            print(responseText)

    except ValueError as e:
        print(e)


>>>
--- 调用LLM ---
🧠 正在调用 xxxxxx 模型...
✅ 大语言模型响应成功:
快速排序是一种非常高效的排序算法...

from serpapi import SerpApiClient

def search(query: str) -> str:
    """
    一个基于SerpApi的实战网页搜索引擎工具。
    它会智能地解析搜索结果，优先返回直接答案或知识图谱信息。
    """
    print(f"🔍 正在执行 [SerpApi] 网页搜索: {query}")
    try:
        api_key = os.getenv("SERPAPI_API_KEY")
        if not api_key:
            return "错误:SERPAPI_API_KEY 未在 .env 文件中配置。"

        params = {
            "engine": "google",
            "q": query,
            "api_key": api_key,
            "gl": "cn",  # 国家代码
            "hl": "zh-cn", # 语言代码
        }

        client = SerpApiClient(params)
        results = client.get_dict()

        # 智能解析:优先寻找最直接的答案
        if "answer_box_list" in results:
            return "\n".join(results["answer_box_list"])

        if "answer_box" in results and "answer" in results["answer_box"]:
            return results["answer_box"]["answer"]

        if "knowledge_graph" in results and "description" in results["knowledge_graph"]:
            return results["knowledge_graph"]["description"]

        if "organic_results" in results and results["organic_results"]:
            # 如果没有直接答案，则返回前三个有机结果的摘要
            snippets = [
                f"[{i+1}] {res.get('title', '')}\n{res.get('snippet', '')}"
                for i, res in enumerate(results["organic_results"][:3])
            ]
            return "\n\n".join(snippets)

        return f"对不起，没有找到关于 '{query}' 的信息。"

    except Exception as e:
        return f"搜索时发生错误: {e}"

from typing import Dict, Any

class ToolExecutor:
    """
    一个工具执行器，负责管理和执行工具。
    """
    def __init__(self):
        self.tools: Dict[str, Dict[str, Any]] = {}

    def registerTool(self, name: str, description: str, func: callable):
        """
        向工具箱中注册一个新工具。
        """
        if name in self.tools:
            print(f"警告:工具 '{name}' 已存在，将被覆盖。")
        self.tools[name] = {"description": description, "func": func}
        print(f"工具 '{name}' 已注册。")

    def getTool(self, name: str) -> callable:
        """
        根据名称获取一个工具的执行函数。
        """
        return self.tools.get(name, {}).get("func")

    def getAvailableTools(self) -> str:
        """
        获取所有可用工具的格式化描述字符串。
        """
        return "\n".join([
            f"- {name}: {info['description']}" 
            for name, info in self.tools.items()
        ])

# --- 工具初始化与使用示例 ---
if __name__ == '__main__':
    # 1. 初始化工具执行器
    toolExecutor = ToolExecutor()

    # 2. 注册我们的实战搜索工具
    search_description = "一个网页搜索引擎。当你需要回答关于时事、事实以及在你的知识库中找不到的信息时，应使用此工具。"
    toolExecutor.registerTool("Search", search_description, search)

    # 3. 打印可用的工具
    print("\n--- 可用的工具 ---")
    print(toolExecutor.getAvailableTools())

    # 4. 智能体的Action调用，这次我们问一个实时性的问题
    print("\n--- 执行 Action: Search['英伟达最新的GPU型号是什么'] ---")
    tool_name = "Search"
    tool_input = "英伟达最新的GPU型号是什么"

    tool_function = toolExecutor.getTool(tool_name)

    if tool_function:
        observation = tool_function(tool_input)
        print("--- 观察 (Observation) ---")
        print(observation)
    else:
        print(f"错误:未找到名为 '{tool_name}' 的工具。")

>>>
工具 'Search' 已注册。

--- 可用的工具 ---
- Search: 一个网页搜索引擎。当你需要回答关于时事、事实以及在你的知识库中找不到的信息时，应使用此工具。

--- 执行 Action: Search['英伟达最新的GPU型号是什么'] ---
🔍 正在执行 [SerpApi] 网页搜索: 英伟达最新的GPU型号是什么
--- 观察 (Observation) ---
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# ReAct 提示词模板
REACT_PROMPT_TEMPLATE = """
请注意，你是一个有能力调用外部工具的智能助手。

可用工具如下:
{tools}

请严格按照以下格式进行回应:

Thought: 你的思考过程，用于分析问题、拆解任务和规划下一步行动。
Action: 你决定采取的行动，必须是以下格式之一:
- `{{tool_name}}[{{tool_input}}]`:调用一个可用工具。
- `Finish[最终答案]`:当你认为已经获得最终答案时。
- 当你收集到足够的信息，能够回答用户的最终问题时，你必须在Action:字段后使用 Finish[最终答案] 来输出最终答案。

现在，请开始解决以下问题:
Question: {question}
History: {history}
"""

class ReActAgent:
    def __init__(self, llm_client: HelloAgentsLLM, tool_executor: ToolExecutor, max_steps: int = 5):
        self.llm_client = llm_client
        self.tool_executor = tool_executor
        self.max_steps = max_steps
        self.history = []

    def run(self, question: str):
        """
        运行ReAct智能体来回答一个问题。
        """
        self.history = [] # 每次运行时重置历史记录
        current_step = 0

        while current_step < self.max_steps:
            current_step += 1
            print(f"--- 第 {current_step} 步 ---")

            # 1. 格式化提示词
            tools_desc = self.tool_executor.getAvailableTools()
            history_str = "\n".join(self.history)
            prompt = REACT_PROMPT_TEMPLATE.format(
                tools=tools_desc,
                question=question,
                history=history_str
            )

            # 2. 调用LLM进行思考
            messages = [{"role": "user", "content": prompt}]
            response_text = self.llm_client.think(messages=messages)

            if not response_text:
                print("错误:LLM未能返回有效响应。")
                break

            # ... (后续的解析、执行、整合步骤)

# (这些方法是 ReActAgent 类的一部分)
    def _parse_output(self, text: str):
        """解析LLM的输出，提取Thought和Action。
        """
        # Thought: 匹配到 Action: 或文本末尾
        thought_match = re.search(r"Thought:\s*(.*?)(?=\nAction:|$)", text, re.DOTALL)
        # Action: 匹配到文本末尾
        action_match = re.search(r"Action:\s*(.*?)$", text, re.DOTALL)
        thought = thought_match.group(1).strip() if thought_match else None
        action = action_match.group(1).strip() if action_match else None
        return thought, action

    def _parse_action(self, action_text: str):
        """解析Action字符串，提取工具名称和输入。
        """
        match = re.match(r"(\w+)\[(.*)\]", action_text, re.DOTALL)
        if match:
            return match.group(1), match.group(2)
        return None, None

# (这段逻辑在 run 方法的 while 循环内)
            # 3. 解析LLM的输出
            thought, action = self._parse_output(response_text)

            if thought:
                print(f"思考: {thought}")

            if not action:
                print("警告:未能解析出有效的Action，流程终止。")
                break

            # 4. 执行Action
            if action.startswith("Finish"):
                # 如果是Finish指令，提取最终答案并结束
                final_answer = re.match(r"Finish\[(.*)\]", action).group(1)
                print(f"🎉 最终答案: {final_answer}")
                return final_answer

            tool_name, tool_input = self._parse_action(action)
            if not tool_name or not tool_input:
                # ... 处理无效Action格式 ...
                continue

            print(f"🎬 行动: {tool_name}[{tool_input}]")

            tool_function = self.tool_executor.getTool(tool_name)
            if not tool_function:
                observation = f"错误:未找到名为 '{tool_name}' 的工具。"
            else:
                observation = tool_function(tool_input) # 调用真实工具

# (这段逻辑紧随工具调用之后，在 while 循环的末尾)
            print(f"👀 观察: {observation}")

            # 将本轮的Action和Observation添加到历史记录中
            self.history.append(f"Action: {action}")
            self.history.append(f"Observation: {observation}")

        # 循环结束
        print("已达到最大步数，流程终止。")
        return None

PLANNER_PROMPT_TEMPLATE = """
你是一个顶级的AI规划专家。你的任务是将用户提出的复杂问题分解成一个由多个简单步骤组成的行动计划。
请确保计划中的每个步骤都是一个独立的、可执行的子任务，并且严格按照逻辑顺序排列。
你的输出必须是一个Python列表，其中每个元素都是一个描述子任务的字符串。

问题: {question}

请严格按照以下格式输出你的计划,``` python linenums="1"与```作为前后缀是必要的:
``` python linenums="1"
["步骤1", "步骤2", "步骤3", ...]
```
"""

# 假定 llm_client.py 中的 HelloAgentsLLM 类已经定义好
# from llm_client import HelloAgentsLLM

class Planner:
    def __init__(self, llm_client):
        self.llm_client = llm_client

    def plan(self, question: str) -> list[str]:
        """
        根据用户问题生成一个行动计划。
        """
        prompt = PLANNER_PROMPT_TEMPLATE.format(question=question)

        # 为了生成计划，我们构建一个简单的消息列表
        messages = [{"role": "user", "content": prompt}]

        print("--- 正在生成计划 ---")
        # 使用流式输出来获取完整的计划
        response_text = self.llm_client.think(messages=messages) or ""

        print(f"✅ 计划已生成:\n{response_text}")

        # 解析LLM输出的列表字符串
        try:
            # 找到``` python linenums="1"和```之间的内容
            plan_str = response_text.split("``` python linenums="1"")[1].split("```")[0].strip()
            # 使用ast.literal_eval来安全地执行字符串，将其转换为Python列表
            plan = ast.literal_eval(plan_str)
            return plan if isinstance(plan, list) else []
        except (ValueError, SyntaxError, IndexError) as e:
            print(f"❌ 解析计划时出错: {e}")
            print(f"原始响应: {response_text}")
            return []
        except Exception as e:
            print(f"❌ 解析计划时发生未知错误: {e}")
            return []

EXECUTOR_PROMPT_TEMPLATE = """
你是一位顶级的AI执行专家。你的任务是严格按照给定的计划，一步步地解决问题。
你将收到原始问题、完整的计划、以及到目前为止已经完成的步骤和结果。
请你专注于解决“当前步骤”，并仅输出该步骤的最终答案，不要输出任何额外的解释或对话。

# 原始问题:
{question}

# 完整计划:
{plan}

# 历史步骤与结果:
{history}

# 当前步骤:
{current_step}

请仅输出针对“当前步骤”的回答:
"""

class Executor:
    def __init__(self, llm_client):
        self.llm_client = llm_client

    def execute(self, question: str, plan: list[str]) -> str:
        """
        根据计划，逐步执行并解决问题。
        """
        history = "" # 用于存储历史步骤和结果的字符串

        print("\n--- 正在执行计划 ---")

        for i, step in enumerate(plan):
            print(f"\n-> 正在执行步骤 {i+1}/{len(plan)}: {step}")

            prompt = EXECUTOR_PROMPT_TEMPLATE.format(
                question=question,
                plan=plan,
                history=history if history else "无", # 如果是第一步，则历史为空
                current_step=step
            )

            messages = [{"role": "user", "content": prompt}]

            response_text = self.llm_client.think(messages=messages) or ""

            # 更新历史记录，为下一步做准备
            history += f"步骤 {i+1}: {step}\n结果: {response_text}\n\n"

            print(f"✅ 步骤 {i+1} 已完成，结果: {response_text}")

        # 循环结束后，最后一步的响应就是最终答案
        final_answer = response_text
        return final_answer

class PlanAndSolveAgent:
    def __init__(self, llm_client):
        """
        初始化智能体，同时创建规划器和执行器实例。
        """
        self.llm_client = llm_client
        self.planner = Planner(self.llm_client)
        self.executor = Executor(self.llm_client)

    def run(self, question: str):
        """
        运行智能体的完整流程:先规划，后执行。
        """
        print(f"\n--- 开始处理问题 ---\n问题: {question}")

        # 1. 调用规划器生成计划
        plan = self.planner.plan(question)

        # 检查计划是否成功生成
        if not plan:
            print("\n--- 任务终止 --- \n无法生成有效的行动计划。")
            return

        # 2. 调用执行器执行计划
        final_answer = self.executor.execute(question, plan)

        print(f"\n--- 任务完成 ---\n最终答案: {final_answer}")

from typing import List, Dict, Any, Optional

class Memory:
    """
    一个简单的短期记忆模块，用于存储智能体的行动与反思轨迹。
    """

    def __init__(self):
        """
        初始化一个空列表来存储所有记录。
        """
        self.records: List[Dict[str, Any]] = []

    def add_record(self, record_type: str, content: str):
        """
        向记忆中添加一条新记录。

        参数:
        - record_type (str): 记录的类型 ('execution' 或 'reflection')。
        - content (str): 记录的具体内容 (例如，生成的代码或反思的反馈)。
        """
        record = {"type": record_type, "content": content}
        self.records.append(record)
        print(f"📝 记忆已更新，新增一条 '{record_type}' 记录。")

    def get_trajectory(self) -> str:
        """
        将所有记忆记录格式化为一个连贯的字符串文本，用于构建提示词。
        """
        trajectory_parts = []
        for record in self.records:
            if record['type'] == 'execution':
                trajectory_parts.append(f"--- 上一轮尝试 (代码) ---\n{record['content']}")
            elif record['type'] == 'reflection':
                trajectory_parts.append(f"--- 评审员反馈 ---\n{record['content']}")

        return "\n\n".join(trajectory_parts)

    def get_last_execution(self) -> Optional[str]:
        """
        获取最近一次的执行结果 (例如，最新生成的代码)。
        如果不存在，则返回 None。
        """
        for record in reversed(self.records):
            if record['type'] == 'execution':
                return record['content']
        return None

# 假设 llm_client.py 和 memory.py 已定义
# from llm_client import HelloAgentsLLM
# from memory import Memory

class ReflectionAgent:
    def __init__(self, llm_client, max_iterations=3):
        self.llm_client = llm_client
        self.memory = Memory()
        self.max_iterations = max_iterations

    def run(self, task: str):
        print(f"\n--- 开始处理任务 ---\n任务: {task}")

        # --- 1. 初始执行 ---
        print("\n--- 正在进行初始尝试 ---")
        initial_prompt = INITIAL_PROMPT_TEMPLATE.format(task=task)
        initial_code = self._get_llm_response(initial_prompt)
        self.memory.add_record("execution", initial_code)

        # --- 2. 迭代循环:反思与优化 ---
        for i in range(self.max_iterations):
            print(f"\n--- 第 {i+1}/{self.max_iterations} 轮迭代 ---")

            # a. 反思
            print("\n-> 正在进行反思...")
            last_code = self.memory.get_last_execution()
            reflect_prompt = REFLECT_PROMPT_TEMPLATE.format(task=task, code=last_code)
            feedback = self._get_llm_response(reflect_prompt)
            self.memory.add_record("reflection", feedback)

            # b. 检查是否需要停止
            if "无需改进" in feedback:
                print("\n✅ 反思认为代码已无需改进，任务完成。")
                break

            # c. 优化
            print("\n-> 正在进行优化...")
            refine_prompt = REFINE_PROMPT_TEMPLATE.format(
                task=task,
                last_code_attempt=last_code,
                feedback=feedback
            )
            refined_code = self._get_llm_response(refine_prompt)
            self.memory.add_record("execution", refined_code)

        final_code = self.memory.get_last_execution()
        print(f"\n--- 任务完成 ---\n最终生成的代码:\n``` python linenums="1"\n{final_code}\n```")
        return final_code

    def _get_llm_response(self, prompt: str) -> str:
        """一个辅助方法，用于调用LLM并获取完整的流式响应。"""
        messages = [{"role": "user", "content": prompt}]
        response_text = self.llm_client.think(messages=messages) or ""
        return response_text

--- 开始处理任务 ---
任务： 编写一个Python函数，找出1到n之间所有的素数 (prime numbers)。

--- 正在进行初始尝试 ---
🧠 正在调用 xxxxxx 模型...
✅ 大语言模型响应成功：
``` python linenums="1"
def find_primes(n):
    ...
    return primes
```
📝 记忆已更新，新增一条 'execution' 记录。   

--- 第 1/2 轮迭代 ---

-> 正在进行反思...
🧠 正在调用 xxxxxx 模型...
✅ 大语言模型响应成功：
当前代码的时间复杂度为O(n * sqrt(n))。虽然对于较小的n值，这种实现是可以接受的，但当n非常大时，性能会显著下降。主要瓶颈在于每个数都需要进行试除法检查，这导致了较高的时间开销。

建议使用埃拉托斯特尼筛法（Sieve of Eratosthenes），该算法的时间复杂度为O(n log(log n))，能够显著提高查找素数的效率。

改进后的代码如下：
``` python linenums="1"
def find_primes(n):
    ...
    return primes
```
📝 记忆已更新，新增一条 'reflection' 记录。

-> 正在进行优化...
🧠 正在调用 xxxxxx 模型...
✅ 大语言模型响应成功：
``` python linenums="1"
def find_primes(n):
    ...
    return primes
```
📝 记忆已更新，新增一条 'execution' 记录。

--- 第 2/2 轮迭代 ---

-> 正在进行反思...
🧠 正在调用 xxxxxx 模型...
✅ 大语言模型响应成功：
当前代码使用了Eratosthenes筛法，时间复杂度为O(n log log n)，空间复杂度为O(n)。此算法在寻找1到n之间的所有素数时已经非常高效，通常情况下无需进一步优化。但在某些特定场景下，可以考虑以下改进：

1. **分段筛法（Segmented Sieve）**：适用于n非常大但内存有限的情况。将区间分成多个小段，每段分别用筛法处理，减少内存使用。
2. **奇数筛法（Odd Number Sieve）**：除了2以外，所有素数都是奇数。可以在初始化`is_prime`数组时只标记奇数，这样可以将空间复杂度降低一半，同时减少一些不必要的计算。

然而，这些改进对于大多数应用场景来说并不是必需的，因为标准的Eratosthenes筛法已经足够高效。因此，在一般情况下，**无需改进**。
📝 记忆已更新，新增一条 'reflection' 记录。

✅ 反思认为代码已无需改进，任务完成。

--- 任务完成 ---
最终生成的代码：
``` python linenums="1"
def find_primes(n):
    """
    Finds all prime numbers between 1 and n using the Sieve of Eratosthenes algorithm.

    :param n: The upper limit of the range to find prime numbers.
    :return: A list of all prime numbers between 1 and n.
    """
    if n < 2:
        return []

    is_prime = [True] * (n + 1)
    is_prime[0] = is_prime[1] = False

    p = 2
    while p * p <= n:
        if is_prime[p]:
            for i in range(p * p, n + 1, p):
                is_prime[i] = False
        p += 1

    primes = [num for num in range(2, n + 1) if is_prime[num]]
    return primes
```