LangChain4j系列：LangChain4j ChatMemory聊天记忆详解与实战

前两篇文章是对LangChain4j比较全面的介绍，从本篇文章开始从某一个点进行分析。我们先从ChatMemory开始！

对于聊天记忆的场景、实现原理，在Spring AI 专栏中的# Spring AI 聊天上下文记忆源码分析以及实战文章有介绍，在这里就不多介绍直入主题。

为什么需要ChatMemory

实现聊天记忆实现起来非常简单，就是把用户所有的提问、大模型回答/产生的内容，放在一个List中，随着用户提问将List一并发送给大模型，让大模型具备了聊天记忆功能。实现虽然简单，大家想一想有没有问题呢？

• 随着提问不断增多，上下文会变的很长，很快超出大模型的上下文token限制。
• 如果多人同时使用大模型，如何隔离不同用户的上下文信息。

手动维护和管理 ChatMessage 很麻烦。因此，LangChain4j 提供了一个 ChatMemory 抽象以及多个开箱即用的实现。ChatMemory 可以用作独立的低级组件，也可以用作高级组件（如 AI Services）的一部分。

LangChain4j 目前只提供“内存”，没有提供持久化的方式，如有特殊需求需要自行实现！

ChatMemory实现什么能力

• 容器管理机制，充当ChatMessage容器，对ChatMessage进行管理。
• 淘汰机制（Eviction policy），为保证ChatMessage不会过多。
• 持久化机制（Persistence），防止聊天上下文丢失的问题。
• 消息特殊处理机制
  • SystemMessage特殊处理。
  • 函数调用返回消息特殊处理。

淘汰机制(Eviction policy)

出于以下几个原因，数据淘汰机制是必要的：

• 适应 LLM的上下文窗口。一次LLM可以处理的token数量是有上限的。

  一般情况将最旧的消息淘汰，如果有特殊需求，可以实现更复杂的算法。

• 控制成本。每个token都有成本，这使得每次调用LLM越来越昂贵。逐出不必要的token可降低成本。

  Token=金钱，目前大模型的收费基本上都是根据Token收费。

• 控制延迟。发送到 LLM的token越多，处理它们所需的时间就越多。

ChatMemory源码分析

ChatMemory接口

public interface ChatMemory {
    // ChatMemory的ID
    Object id();
   
    // 将message添加到ChatMemory中
    void add(ChatMessage message);

    // 从ChatMemory中获取消息，怎么取取决于实现
    List messages();
    
    // 清空ChatMemory中的消息
    void clear();
}

ChatMemory实现类

• MessageWindowChatMemory 「简单」：滑动窗口，保留 N 最新的消息并驱逐不再适合的旧消息。

• TokenWindowChatMemory 「复杂」：滑动窗口运行， N 但专注于保留最新的令牌，根据需要驱逐较旧的消息。需要Tokenizer配合使用计算ChatMessage的Token的数量。

持久化机制(Persistence)

默认情况下，ChatMemory 实现是将 ChatMessage 存储在内存中的，如果需要持久性，可以实现自定义 ChatMemoryStore ，将ChatMessage 存储在您选择的任何持久性存储中。

可以自定义持久化策略！！！！

ChatMemoryStore 接口

public interface ChatMemoryStore {

    // 根据memoryId从指定的ChatMemoryStore中获取消息
    List getMessages(Object memoryId);

    // 根据memoryId，更新存储的消息
    void updateMessages(Object memoryId, List messages);
    
    // 根据memoryId删除存储的消息
    void deleteMessages(Object memoryId);
}

InMemoryChatMemoryStore 实现类

public class InMemoryChatMemoryStore implements ChatMemoryStore {
    private final Map> messagesByMemoryId = new ConcurrentHashMap<>();

    /**
     * Constructs a new {@link InMemoryChatMemoryStore}.
     */
    public InMemoryChatMemoryStore() {}

    @Override
    public List getMessages(Object memoryId) {
        return messagesByMemoryId.computeIfAbsent(memoryId, ignored -> new ArrayList<>());
    }

    @Override
    public void updateMessages(Object memoryId, List messages) {
        messagesByMemoryId.put(memoryId, messages);
    }

    @Override
    public void deleteMessages(Object memoryId) {
        messagesByMemoryId.remove(memoryId);
    }
}

LanChain4j仅提供一个基于内存实现的存储，如果有特殊需求，我们可以实现ChatMemoryStore接口，自定义逻辑。

SystemMessage 特殊处理

SystemMessage 是一种特殊类型的消息，因此它与其他消息类型的处理方式不同：

• 一旦添加后，将始终保留SystemMessage。
• 一次只能持有一个 SystemMessage。
• 忽略添加了具有相同内容的新 SystemMessage。
• 如果添加了具有不同内容的新 SystemMessage 内容，则将替换前一个内容。

工具消息的特殊处理

所谓的工具消息就是函数调用请求消息和函数调用执行结果的消息。

如果包含ToolExecutionRequest的AiMessage被淘汰，则与其关联的返回消息ToolExecutionResultMessage需要一同淘汰，否则会影响大模型的生成效果。

ChatMemory 代码实践

引入依赖包

    dev.langchain4j
    langchain4j-spring-boot-starter
    ${langchain4j.version}



    dev.langchain4j
    langchain4j-open-ai-spring-boot-starter
    ${langchain4j.version}

共享ChatMemory实现

package org.ivy.chatmemory;

import dev.langchain4j.memory.ChatMemory;
import dev.langchain4j.memory.chat.MessageWindowChatMemory;
import dev.langchain4j.model.openai.OpenAiChatModel;
import dev.langchain4j.service.AiServices;
import org.ivy.chatmemory.service.Assistant;

public class ChatMemoryJavaExample {

    public static void main(String[] args) {
        ChatMemory chatMemory = MessageWindowChatMemory.withMaxMessages(10);
        Assistant assistant = AiServices.builder(Assistant.class)
                .chatLanguageModel(OpenAiChatModel.builder()
                        .baseUrl("xxxx")
                        .apiKey("xxxx")
                        .build()
                )
                .chatMemory(chatMemory)
                .build();

        String answer = assistant.chat("Hello! My name is Klaus.");
        System.out.println(answer); // Hello Klaus! How can I assist you today?

        String answerWithName = assistant.chat("What is my name?");
        System.out.println(answerWithName); // Your name is Klaus.
    }
}

执行测试结果：

Hello Klaus! How can I assist you today?

Your name is Klaus.

独享ChatMemory实现

package org.ivy.chatmemory;

import dev.langchain4j.memory.chat.MessageWindowChatMemory;
import dev.langchain4j.model.openai.OpenAiChatModel;
import dev.langchain4j.service.AiServices;
import org.ivy.chatmemory.service.EachUserAssistant;

public class ChatMemoryEachUserExample {
    public static void main(String[] args) {
        EachUserAssistant assistant = AiServices.builder(EachUserAssistant.class)
                .chatLanguageModel(
                        OpenAiChatModel.builder()
                                .baseUrl("xxx")
                                .apiKey("xxx")
                                .build())
                .chatMemoryProvider(memoryId -> MessageWindowChatMemory.withMaxMessages(10))
                .build();

        System.out.println(assistant.chat(1, "Hello, my name is Klaus"));
        // Hi Klaus! How can I assist you today?

        System.out.println(assistant.chat(2, "Hello, my name is Francine"));
        // Hello Francine! How can I assist you today?

        System.out.println(assistant.chat(1, "What is my name?"));
        // Your name is Klaus.

        System.out.println(assistant.chat(2, "What is my name?"));
    }
}

执行测试结果

Hi Klaus! How can I assist you today?

Hello Francine! How can I assist you today?

Your name is Klaus.

Your name is Francine.

定义memoryId，根据memoryId来获取是否是同一组上下文信息。

自定义MemoryStore

package org.ivy.chatmemory.persistent;

import dev.langchain4j.data.message.ChatMessage;
import dev.langchain4j.store.memory.chat.ChatMemoryStore;
import org.mapdb.DB;
import org.mapdb.DBMaker;

import java.util.List;
import java.util.Map;

import static dev.langchain4j.data.message.ChatMessageDeserializer.messagesFromJson;
import static dev.langchain4j.data.message.ChatMessageSerializer.messagesToJson;
import static org.mapdb.Serializer.INTEGER;
import static org.mapdb.Serializer.STRING;

/**
 * 自定义的持久化聊天存储器
 */
public class PersistentChatMemoryStore implements ChatMemoryStore {
    private final DB db = DBMaker.fileDB("./chat-memory.db").transactionEnable().make();
    private final Map map = db.hashMap("messages", INTEGER, STRING).createOrOpen();

    @Override
    public List getMessages(Object memoryId) {
        String json = map.get((int) memoryId);
        return messagesFromJson(json);
    }

    @Override
    public void updateMessages(Object memoryId, List messages) {
        String json = messagesToJson(messages); // 序列化消息
        map.put((int) memoryId, json);
        db.commit(); // 提交事务
    }

    @Override
    public void deleteMessages(Object memoryId) {
        map.remove((int) memoryId);
        db.commit();
    }
}

自定义的关键几点：

• 消息的序列化/反序列化，可以使用LangChain4j提供的工具
• 选择存储方式，比如示列中使用的mapdb 文件形式。

执行流程

1. 用户发起提示词 prompt 提问；
2. 根据chatMemoryId 查询历史回话，并返回；
3. 通过提示词模板将 prompt 和 history messages 组合成一个提示词发送给大模型；
4. 大模型根据提示词进行回答，将prompt + AiMessages同时放入到ChatMemory中；
5. 最后将大模型生成的结果返回给用户

示例代码

Github 地址

• chatmemory：简单的示例
• chatmemory-eachuser: 会话维度隔离聊天上下文
• chatmemory-persistent: 自定义持久化

总结

对LangChain4j聊天记忆进行了分析，并介绍了ChatMemory四个特性。提供了使用示例，包括共享ChatMemory、会话维度隔离的ChatMemory，自定义存储机制等。实战代码可以参考Github。

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