第四章 智能体经典范式构建

4.2 ReAct

配套代码：code/chapter4

在准备好LLM客户端后，我们将构建第一个，也是最经典的一个智能体范式ReAct (Reason + Act)。ReAct由Shunyu Yao于2022年提出[1]，其核心思想是模仿人类解决问题的方式，将推理 (Reasoning) 与行动 (Acting) 显式地结合起来，形成一个“思考-行动-观察”的循环。

4.2.1 ReAct 的工作流程

在ReAct诞生之前，主流的方法可以分为两类：一类是“纯思考”型，如思维链 (Chain-of-Thought)，它能引导模型进行复杂的逻辑推理，但无法与外部世界交互，容易产生事实幻觉；另一类是“纯行动”型，模型直接输出要执行的动作，但缺乏规划和纠错能力。

ReAct的巧妙之处在于，它认识到思考与行动是相辅相成的。思考指导行动，而行动的结果又反过来修正思考。为此，ReAct范式通过一种特殊的提示工程来引导模型，使其每一步的输出都遵循一个固定的轨迹：

  • Thought (思考)： 这是智能体的“内心独白”。它会分析当前情况、分解任务、制定下一步计划，或者反思上一步的结果。
  • Action (行动)： 这是智能体决定采取的具体动作，通常是调用一个外部工具，例如 Search['华为最新款手机']。
  • Observation (观察)： 这是执行Action后从外部工具返回的结果，例如搜索结果的摘要或API的返回值。

智能体将不断重复这个 Thought -> Action -> Observation 的循环，将新的观察结果追加到历史记录中，形成一个不断增长的上下文，直到它在Thought中认为已经找到了最终答案，然后输出结果。这个过程形成了一个强大的协同效应：推理使得行动更具目的性，而行动则为推理提供了事实依据。

我们可以将这个过程形式化地表达出来，如图4.1所示。具体来说，在每个时间步 tt，智能体的策略（即大语言模型 π\pi）会根据初始问题 qq 和之前所有步骤的“行动-观察”历史轨迹 ((a1,o1),…,(at−1,ot−1))((a_1,o_1),\dots,(a_{t-1},o_{t-1}))，来生成当前的思考 thtth_t 和行动 ata_t：

(tht,at)=π(q,(a1,o1),…,(at−1,ot−1))\left(th_t,a_t\right)=\pi\left(q,(a_1,o_1),\ldots,(a_{t-1},o_{t-1})\right)

随后，环境中的工具 TT 会执行行动 ata_t，并返回一个新的观察结果 oto_t：

ot=T(at)o_t = T(a_t)

这个循环不断进行，将新的 (at,ot)(a_t,o_t) 对追加到历史中，直到模型在思考 thtth_t 中判断任务已完成。

ReAct范式中的“思考-行动-观察”协同循环

图 4.1 ReAct 范式中的“思考-行动-观察”协同循环

这种机制特别适用于以下场景：

  • 需要外部知识的任务：如查询实时信息（天气、新闻、股价）、搜索专业领域的知识等。
  • 需要精确计算的任务：将数学问题交给计算器工具，避免LLM的计算错误。
  • 需要与API交互的任务：如操作数据库、调用某个服务的API来完成特定功能。

因此我们将构建一个具备使用外部工具能力的ReAct智能体，来回答一个大语言模型仅凭自身知识库无法直接回答的问题。例如：“华为最新的手机是哪一款？它的主要卖点是什么？” 这个问题需要智能体理解自己需要上网搜索，调用工具搜索结果并总结答案。

4.2.2 工具的定义与实现

如果说大语言模型是智能体的大脑，那么工具 (Tools) 就是其与外部世界交互的“手和脚”。为了让ReAct范式能够真正解决我们设定的问题，智能体需要具备调用外部工具的能力。

针对本节设定的目标——回答关于“华为最新手机”的问题，我们需要为智能体提供一个网页搜索工具。在这里我们选用 SerpApi，它通过API提供结构化的Google搜索结果，能直接返回“答案摘要框”或精确的知识图谱信息。

首先，需要安装该库：

pip install google-search-results

同时，你需要前往 SerpApi官网 注册一个免费账户，获取你的API密钥，并将其添加到我们项目根目录下的 .env 文件中：

# .env file
# ... (保留之前的LLM配置)
SERPAPI_API_KEY="YOUR_SERPAPI_API_KEY"

接下来，我们通过代码来定义和管理这个工具。我们将分步进行：首先实现工具的核心功能，然后构建一个通用的工具管理器。

（1）实现搜索工具的核心逻辑

一个良好定义的工具应包含以下三个核心要素：

  1. 名称 (Name)： 一个简洁、唯一的标识符，供智能体在 Action 中调用，例如 Search。
  2. 描述 (Description)： 一段清晰的自然语言描述，说明这个工具的用途。这是整个机制中最关键的部分，因为大语言模型会依赖这段描述来判断何时使用哪个工具。
  3. 执行逻辑 (Execution Logic)： 真正执行任务的函数或方法。

我们的第一个工具是 search 函数，它的作用是接收一个查询字符串，然后返回搜索结果。

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}"

在上述代码中，首先会检查是否存在 answer_box（Google的答案摘要框）或 knowledge_graph（知识图谱）等信息，如果存在，就直接返回这些最精确的答案。如果不存在，它才会退而求其次，返回前三个常规搜索结果的摘要。这种“智能解析”能为LLM提供质量更高的信息输入。

（2）构建通用的工具执行器

当智能体需要使用多种工具时（例如，除了搜索，还可能需要计算、查询数据库等），我们需要一个统一的管理器来注册和调度这些工具。为此，我们创建一个 ToolExecutor 类。

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()
        ])

(3)测试

现在，我们将 search 工具注册到 ToolExecutor 中，并模拟一次调用，以验证整个流程是否正常工作。

# --- 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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至此，我们已经为智能体配备了连接真实世界互联网的Search工具，为后续的ReAct循环提供了坚实的基础。

4.2.3 ReAct 智能体的编码实现

现在，我们将所有独立的组件，LLM客户端和工具执行器组装起来，构建一个完整的 ReAct 智能体。我们将通过一个 ReActAgent 类来封装其核心逻辑。为了便于理解，我们将这个类的实现过程拆分为以下几个关键部分进行讲解。

（1）系统提示词设计

提示词是整个 ReAct 机制的基石，它为大语言模型提供了行动的操作指令。我们需要精心设计一个模板，它将动态地插入可用工具、用户问题以及中间步骤的交互历史。

# 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}
"""

这个模板定义了智能体与LLM之间交互的规范：

  • 角色定义： “你是一个有能力调用外部工具的智能助手”，设定了LLM的角色。
  • 工具清单 ({tools})： 告知LLM它有哪些可用的“手脚”。
  • 格式规约 (Thought/Action)： 这是最重要的部分，它强制LLM的输出具有结构性，使我们能通过代码精确解析其意图。
  • 动态上下文 ({question}/{history})： 将用户的原始问题和不断累积的交互历史注入，让LLM基于完整的上下文进行决策。

（2）核心循环的实现

ReActAgent 的核心是一个循环，它不断地“格式化提示词 -> 调用LLM -> 执行动作 -> 整合结果”，直到任务完成或达到最大步数限制。

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)

run 方法是智能体的入口。它的 while 循环构成了 ReAct 范式的主体，max_steps 参数则是一个重要的安全阀，防止智能体陷入无限循环而耗尽资源。

（3）输出解析器的实现

LLM 返回的是纯文本，我们需要从中精确地提取出Thought和Action。这是通过几个辅助解析函数完成的，它们通常使用正则表达式来实现。

# (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
  • _parse_output： 负责从LLM的完整响应中分离出Thought和Action两个主要部分。
  • _parse_action： 负责进一步解析Action字符串，例如从 Search[华为最新手机] 中提取出工具名 Search 和工具输入 华为最新手机。

(4) 工具调用与执行

# (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

这段代码是Action的执行中心。它首先检查是否为Finish指令，如果是，则流程结束。否则，它会通过tool_executor获取对应的工具函数并执行，得到observation。

(5）观测结果的整合

最后一步，也是形成闭环的关键，是将Action本身和工具执行后的Observation添加回历史记录中，为下一轮循环提供新的上下文。

# (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

通过将Observation追加到self.history，智能体在下一轮生成提示词时，就能“看到”上一步行动的结果，并据此进行新一轮的思考和规划。

（6）运行实例与分析

将以上所有部分组合起来，我们就得到了完整的 ReActAgent 类。完整的代码运行实例可以在本书配套的代码仓库 code 文件夹中找到。

下面是一次真实的运行记录：

工具 'Search' 已注册。

--- 第 1 步 ---
🧠 正在调用 xxxxxx 模型...
✅ 大语言模型响应成功:
Thought: 要回答这个问题，我需要查找华为最新发布的手机型号及其主要特点。这些信息可能在我的现有知识库之外，因此需要使用搜索引擎来获取最新数据。
Action: Search[华为最新手机型号及主要卖点]
🤔 思考: 要回答这个问题，我需要查找华为最新发布的手机型号及其主要特点。这些信息可能在我的现有知识库之外，因此需要使用搜索引擎来获取最新数据。
🎬 行动: Search[华为最新手机型号及主要卖点]
🔍 正在执行 [SerpApi] 网页搜索: 华为最新手机型号及主要卖点
👀 观察: [1] 华为手机- 华为官网
智能手机 ; Mate 系列. 非凡旗舰 · HUAWEI Mate XTs. 非凡大师 ; Pura 系列. 先锋影像 · HUAWEI Pura 80 Pro+ ; Pocket 系列. 美学新篇. HUAWEI Pocket 2 ; nova 系列. 专业人像.

[2] 2025年华为手机哪一款性价比高？华为手机推荐与市场分析 ...
现在华为手机最大的卖点只剩下鸿蒙HarmonyOS系统，以及饱受争议的品牌信仰。 这里推荐目前值得入手的几款华为系列手机，根据不同预算自行选择:. 华为目前最受欢迎，也是搭载 ...

[3] 2025年华为新款手机哪个性价比高？10款华为新款手机推荐
选华为主要还是要推荐高端手机，Mate 70和Pura 70系列是最新发布的旗舰机型。 HUAWEI Mate 70. 优点是，拍照配置依旧顶级，全焦段覆盖，适合专业摄影，做工出色，户外抗摔 ...

--- 第 2 步 ---
🧠 正在调用 xxxxxx 模型...
✅ 大语言模型响应成功:
Thought: 根据搜索结果，华为最新发布的旗舰机型包括Mate 70和Pura 80 Pro+。为了确定最新型号及其主要卖点，我将重点放在这些信息上。从提供的链接来看，Mate 70系列和Pura 80 Pro+都是近期发布的产品，但具体哪一个是“最新”还需要进一步确认。同时，我可以从这些信息中提取出它们的主要
卖点。
Action: Finish[根据最新信息，华为的最新手机可能是HUAWEI Pura 80 Pro+或HUAWEI Mate 70。其中，HUAWEI Mate 70的主要卖点包括顶级的拍照配置，全焦段覆盖，适合专业摄影，做工出色，并且具有良好的户外抗摔性能。而HUAWEI Pura 80 Pro+则强调了先锋影像技术。]
🤔 思考: 根据搜索结果，华为最新发布的旗舰机型包括Mate 70和Pura 80 Pro+。为了确定最新型号及其主要卖点，我将重点放在这些信息上。从提供的链接来看，Mate 70系列和Pura 80 Pro+都是近期发布的产品，但具体哪一个是“最新”还需要进一步确认。同时，我可以从这些信息中提取出它们的主要 
卖点。
🎉 最终答案: 根据最新信息，华为的最新手机可能是HUAWEI Pura 80 Pro+或HUAWEI Mate 70。其中，HUAWEI Mate 70的主要卖点包括顶级的拍照配置，全焦段覆盖，适合专业摄影，做工出色，并且具有良好的户外抗摔性能。而HUAWEI Pura 80 Pro+则强调了先锋影像技术。

从上面的输出可以看到，智能体清晰地展示了它的思考链条：它首先意识到自己的知识不足，需要使用搜索工具；然后，它根据搜索结果进行推理和总结，并在两步之内得出了最终答案。

值得注意的是，由于模型的知识和互联网的信息是不断更新的，你运行的结果可能与此不完全相同。截止本节内容编写的2025年9月8日，搜索结果中提到的HUAWEI Mate 70与HUAWEI Pura 80 Pro+确实是华为当时最新的旗舰系列手机。这充分展示了ReAct范式在处理时效性问题上的强大能力。

4.2.4 ReAct 的特点、局限性与调试技巧

通过亲手实现一个 ReAct 智能体，我们不仅掌握了其工作流程，也应该对其内在机制有了更深刻的认识。任何技术范式都有其闪光点和待改进之处，本节将对 ReAct 进行总结。

（1）ReAct 的主要特点

  1. 高可解释性：ReAct 最大的优点之一就是透明。通过 Thought 链，我们可以清晰地看到智能体每一步的“心路历程”——它为什么会选择这个工具，下一步又打算做什么。这对于理解、信任和调试智能体的行为至关重要。
  2. 动态规划与纠错能力：与一次性生成完整计划的范式不同，ReAct 是“走一步，看一步”。它根据每一步从外部世界获得的 Observation 来动态调整后续的 Thought 和 Action。如果上一步的搜索结果不理想，它可以在下一步中修正搜索词，重新尝试。
  3. 工具协同能力：ReAct 范式天然地将大语言模型的推理能力与外部工具的执行能力结合起来。LLM 负责运筹帷幄（规划和推理），工具负责解决具体问题（搜索、计算），二者协同工作，突破了单一 LLM 在知识时效性、计算准确性等方面的固有局限。

（2）ReAct 的固有局限性

  1. 对LLM自身能力的强依赖：ReAct 流程的成功与否，高度依赖于底层 LLM 的综合能力。如果 LLM 的逻辑推理能力、指令遵循能力或格式化输出能力不足，就很容易在 Thought 环节产生错误的规划，或者在 Action 环节生成不符合格式的指令，导致整个流程中断。
  2. 执行效率问题：由于其循序渐进的特性，完成一个任务通常需要多次调用 LLM。每一次调用都伴随着网络延迟和计算成本。对于需要很多步骤的复杂任务，这种串行的“思考-行动”循环可能会导致较高的总耗时和费用。
  3. 提示词的脆弱性：整个机制的稳定运行建立在一个精心设计的提示词模板之上。模板中的任何微小变动，甚至是用词的差异，都可能影响 LLM 的行为。此外，并非所有模型都能持续稳定地遵循预设的格式，这增加了在实际应用中的不确定性。
  4. 可能陷入局部最优：步进式的决策模式意味着智能体缺乏一个全局的、长远的规划。它可能会因为眼前的 Observation 而选择一个看似正确但长远来看并非最优的路径，甚至在某些情况下陷入“原地打转”的循环中。

（3）调试技巧

当你构建的 ReAct 智能体行为不符合预期时，可以从以下几个方面入手进行调试：

  • 检查完整的提示词：在每次调用 LLM 之前，将最终格式化好的、包含所有历史记录的完整提示词打印出来。这是追溯 LLM 决策源头的最直接方式。
  • 分析原始输出：当输出解析失败时（例如，正则表达式没有匹配到 Action），务必将 LLM 返回的原始、未经处理的文本打印出来。这能帮助你判断是 LLM 没有遵循格式，还是你的解析逻辑有误。
  • 验证工具的输入与输出：检查智能体生成的 tool_input 是否是工具函数所期望的格式，同时也要确保工具返回的 observation 格式是智能体可以理解和处理的。
  • 调整提示词中的示例 (Few-shot Prompting)：如果模型频繁出错，可以在提示词中加入一两个完整的“Thought-Action-Observation”成功案例，通过示例来引导模型更好地遵循你的指令。
  • 尝试不同的模型或参数：更换一个能力更强的模型，或者调整 temperature 参数（通常设为0以保证输出的确定性），有时能直接解决问题。