在人工智能快速发展的今天，大语言模型(LLM)已经成为改变世界的重要力量。然而，如何高效地编写、管理和维护提示词(Prompt)仍然是一个巨大的挑战。传统的提示词工程往往依赖于手工编写和维护大量的文本模板，这不仅效率低下，而且难以进行版本控制和复用。
APPL(A Prompt Programming Language)的出现，为这个问题提供了一个优雅而强大的解决方案。作为连接程序和大语言模型的桥梁，APPL允许在Python函数中无缝嵌入提示词，同时也支持将提示词转换为结构化的程序代码。这种双向转换能力让开发者能够充分利用两个世界的优势：程序的精确控制和大语言模型的灵活创造力。
APPL是一个扩展了Python的提示词编程语言，它提供了一种自然、直观、便捷且高效的方式来在程序中使用大语言模型。作为一个专门面向Prompt工程师的工具，APPL不仅简化了提示词的编写和管理过程，还引入了一系列创新性的特性，从根本上改变了我们与大语言模型交互的方式。
APPL的第一作者：董宏华博士，本科毕业于清华大学交叉信息研究院（姚班），目前是多伦多大学在读博士。他带领团队开发了这个创新性的工具。作为专注于大语言模型应用的研究者，他们团队深入理解了当前Prompt工程师在日常工作中面临的挑战，并将这些洞察融入到APPL的设计中。他希望通过APPL，能够为广大的Prompt工程师提供一个更加高效、专业的开发工具，使他们能够更好地发挥创造力，构建更加复杂和强大的AI应用。
注意：本文以下示例代码由董宏华博士亲自修订。
资源
网页文档：https://appl-team.github.io/appl
上手教程：https://appl-team.github.io/appl/tutorials/
代码：https://github.com/appl-team/appl
论文：https://arxiv.org/abs/2406.13161
安装：
pip install -U applang
核心特性: 重塑提示词工程的范式
1. 提示词上下文系统的深度解析
APPL的核心创新在于其提示词上下文(Prompt Context)系统。这个系统不仅仅是简单的文本管理，而是一个复杂的状态管理机制：
上下文生命周期管理
new: 默认的模式，创建全新上下文，用于独立任务
same: 复用当前上下文，适合连续的提示词构建
copy: 创建上下文副本，用于并行处理
创建阶段：每个APPL函数被调用时自动创建独立上下文
传递阶段：支持三种上下文传递模式
销毁阶段：追踪调用情况，方便用于后续调试
提示词捕获机制
表达式语句自动捕获：将Python表达式转换为提示词片段
动态内容注入：支持变量插值和表达式计算
条件性捕获：可根据运行时条件决定是否将内容加入提示词
上下文状态追踪
完整的调用链记录
提示词构建过程的可视化
运行时状态的监控
示例代码展示提示词的简洁用法：
from appl import ppl, gen
@ppl(docstring_as="system")
def simple_prompt(name: str):
"""This is a system prompt"""
f"Hello, my name is {name}!"
return gen()
simple_prompt("APPL")的提示词如下
system: This is a system prompt
user: Hello, my name is APPL
这被用于gen()函数来调用大语言模型。
示例代码展示上下文管理的高级用法：
import appl
from appl import SystemMessage, convo, ppl, gen
@ppl
def complex_prompt(data: dict, mode: str = "default"):
# 基础上下文设置
SystemMessage("Processing data analysis request")
# 条件性提示词构建
if mode == "detailed":
f"Analysis mode: Detailed examination"
f"Required aspects: All data fields"
else:
f"Analysis mode: Quick overview"
f"Required aspects: Key metrics"
# 动态数据注入
f"Input data summary:"
for key, value in data.items():
f"- {key}: {value}"
# 使用Python控制流动态构建提示词
if "errors" in data:
f"Special attention: Error analysis required"
f"Error details: {data['errors']}"
return convo() # convo即conversation，表示当前的对话提示词
print(complex_prompt({"name": "John", "age": 30, "errors": "Syntax error"}))
得到的输出如下：
system: Processing data analysis request
user: Analysis mode: Quick overview
Required aspects: Key metrics
Input data summary:
- name: John
- age: 30
- errors: Syntax error
Special attention: Error analysis required
Error details: Syntax error
2. 并行化调度系统的技术实现
APPL的并行化系统远比表面看到的要复杂。它实现了一个智能的任务调度器，能够自动识别和优化并行执行机会。在实际测试中，APPL展现出了显著的性能优势：
在Chain-of-Thought with Self-Consistency(CoT-SC)任务中，实现了接近10倍的加速比
在Skeleton-of-Thought(SoT)生成任务中，达到了2.79倍的加速效果
在层次化摘要任务中，获得了3.07倍的性能提升
这些性能提升主要得益于以下技术实现：
异步执行，在独立线程中运行大模型任务
自动检测大模型任务之间的数据依赖
除此之外，APPL还提供了以下高级特性：
线程池实现大模型调用数量的限流
结果缓存
失败恢复机制
高级并行处理示例：
@ppl
def parallel_processing(documents: list[str]):
SystemMessage("You are a document analysis tool.")
# 并行执行每个文档的分析任务
results = [analyze_document(doc) for doc in documents]
# 结果汇总
f"Analysis Summary:"
for doc_id, result in enumerate(results):
f"Document {doc_id}: {result}"
print(convo()) # DEBUG，打印用于生成(gen)的对话提示词
return gen()
@ppl(ctx="copy")# 使用独立的上下文副本
def analyze_document(doc: str):
"Analyze the following document:"
doc
return gen()
docs = ["first document ...", "second document ..."] # placeholder
print(f"\n=== Analysis Summary ===\n{parallel_processing(docs)}")
得到的输出如下：
system: You are a document analysis tool.
user: Analysis Summary:
Document 0: This document ... # (分析结果)
Document 1: This document ... # (分析结果)
=== Analysis Summary ===
These documents ... # (汇总的分析结果)
3. 工具调用系统的深度集成
APPL的工具调用系统通过自动化的方式，将Python函数转换为大语言模型可以理解和使用的工具。这个过程包括：
函数签名分析
自动提取Python函数参数和返回值类型
解析函数文档字符串(docstring)
工具Schema生成
自动生成包含参数描述和约束条件的JSON Schema
支持复杂的嵌套Pydantic结构
调用结果处理
将结果转化为函数调用，集成工具的运行
可方便地并行运行多个工具执行
这种自动化的工具集成机制大大简化了开发流程，使得开发者可以专注于业务逻辑的实现，而不需要手动处理繁琐的工具规范定义和参数转换。
示例代码：
# 常规的Python函数定义，参数类型可以是Pydantic模型
def is_lucky(x: int) -> bool:
"""Determine whether the input number is a lucky number.
Args:
x (int): The input number to be checked.
Returns:
bool: True if the number is a lucky number, False otherwise.
"""
return sympy.isprime(x + 3)
@ppl
def func(x):
f"Is {x} a lucky number?"
# 将 `is_lucky` 直接作为可用的工具，APPL会自动从函数签名和文档字符串中提取信息
# 结果是一个AssistantMessage，可以直接加入到提示词中
(actions := gen(tools=[is_lucky]))
if actions.is_tool_call:# LLM的选择是调用工具
# 运行工具，运行结果是ToolMessage的列表，可直接加入提示词中
(results := actions.run_tool_calls())
# results[0].content包含第一个工具调用的结果
# 让LLM根据结果生成文本答案，选择不使用工具
answer = gen(tools=[is_lucky], tool_choice="none")
else:# LLM选择直接生成答案
answer = actions.message
return answer
n = 2024
ans = func(n)
print("The answer is:", ans)
包含工具调用的对话的示例如下：
| Role | Message |
| -------------- | ------------------------------------------------------------- |
| User | Is 2024 a lucky number? |
| Assistant| [ToolCall(id='call_...', name='is_lucky', args='{"x":2024}')] |
| Tool(is_lucky) | True|
输出示例如下：
Yes, 2024 is a lucky number!
4. Tree of Thought实现
Tree of Thought(ToT)是一种强大的思维推理框架，它通过构建思维树并进行搜索来解决复杂问题。APPL为ToT提供了优雅而高效的实现支持，下面以24点游戏求解器为例展示APPL的强大能力：
@ppl
def propose(current_numbers: str):
f"Propose at most {args.n_propose_sample} possible next steps without explanation"
for example in PROPOSE_EXAMPLES:
for k, v in example.items():
display(k, v)
f"Input: {current_numbers}"
f"Possible next steps:"
return gen()
@ppl
def evaluate(current_numbers: str):
"Evaluate if given numbers can reach 24 (sure/likely/impossible)"
for example in VALUE_EXAMPLES:
for k, v in example.items():
display(k, v)
f"Input: {current_numbers}"
"Thoughts:"
return gen()
@traceable
def solve(input_numbers: str, steps: int = 3):
current_candidates = [
Game24Candidate(
start_numbers=input_numbers,
left_numbers=input_numbers,
steps=[]
)
]
for _ in range(steps):
# 生成可能的下一步
new_candidates = get_all_proposals(current_candidates)
# 评估每个候选解
new_candidates = get_all_values(new_candidates)
# 选择最佳候选解
current_candidates = sorted(
new_candidates,
key=lambda x: x.value,
reverse=True
)[: args.n_select_sample]
这个代码片段展示了APPL如何优雅地处理ToT的核心组件：
提案生成(propose)：
基于当前状态生成可能的下一步操作
利用few-shot示例提升生成质量
支持批量生成多个候选方案
评估(evaluate)：
对每个候选解进行可行性评估
使用分级评分机制(sure/likely/impossible)
支持并行化评估提升效率
搜索(solve)：
实现宽度优先搜索策略
动态调整搜索深度
通过评分进行最优解选择
APPL的特性使得ToT实现具有以下优势：
代码结构清晰，逻辑简洁
提示词和代码互相解释
自动并行化提升性能
完整的执行追踪能力
灵活的提示词管理
在实际测试中，这个实现展现出了优秀的性能：
并行运行使得解决单个24点问题的时间缩短为了原来的1/6。
代码量显著减少 ，核心代码减少至120行左右。
5. OPRO Prompt优化
OPRO(Optimization of PROmpts)是谷歌DeepMind提出的一种创新的prompt优化技术，它通过迭代优化来提升prompt的效果，我之前有文章专门介绍过。
往期推荐
谷歌DeepMind重磅：提示工程师必须掌握OPRO，用LLM就能自动优化Prompt|ICLR2024
仅用十几行代码，APPL就能实现一个OPRO的简化版本，为类似算法提供了简洁而强大的实现支持：
@ppl
def optimize_prompt(question: str, prompt: str, output: str):
"I want to optimize the prompt for the question."
"The question is:"
question
"The current prompt is:"
prompt
"The output for the current prompt is:"
output
"The optimized prompt is:"
return gen()
@ppl
def evaluate_prompt(prompt: str):
prompt
return gen()
# 迭代优化过程
question = "Which number is larger, 9.11 or 9.9?"
prompt = "please think carefully."
for i in range(3):
# 评估当前prompt
output = evaluate_prompt(prompt)
# 生成优化后的prompt
prompt = optimize_prompt(question, prompt, output)
OPRO的工作原理：
初始prompt评估：
测试初始prompt的效果
分析输出结果的质量
识别需要改进的方面
优化策略生成：
基于评估结果设计改进方案
考虑多个优化维度
生成新的prompt版本
迭代优化过程：
多轮评估和改进
动态调整优化策略
收敛到最优解
提示词上下文的自动管理
清晰的代码结构和流程控制
方便的结果评估和分析
完整的优化过程追踪
优化后的prompt更简洁
APPL为OPRO提供的支持：
高级应用场景: 深入APPL的实战应用
1. ReAct智能体实现
APPL特别适合实现基于ReAct范式的智能体系统，它能够自然地结合思考(Thought)、行动(Action)和观察(Observation)：
@ppl
def react_agent(instruction: str, max_steps: int = 5):
SystemMessage("你是一个能够思考和使用工具的AI助手。")
f"用户指令: {instruction}\n"
tools = [finish_task]
for step in range(max_steps):
# 生成思考过程
f"思考: {gen(tools=tools, tool_choice='none')}"
# 选择并执行工具
(actions := gen(tools=tools))
# 运行并将结果加入提示词
(results := actions.run_tool_calls())
# 根据results判断是否完成任务，如果完成则退出循环
...
"生成最终答案："
return gen()
这个实现展示了APPL如何优雅地处理复杂的交互流程，包括：
自然语言思考过程
工具选择和调用
结果分析和决策
2. 高级代码解析
APPL可以方便地将整个文件夹内的代码放入提示词中，用于代码审查、讨论和调试。这种高级代码解析功能可以极大地提升开发效率，特别适用于代码审查、问题排查和团队协作：
以下代码展示了如何将文件目录结构与目录中代码以XML的格式放入提示词中，比如将APPL的examples作为source folder后，里面的所有代码都会进入提示词中，然后就可以跟这些示例进行交流。
@ppl
def chat(source_folder: str, ext: str = ".py"):
with Tagged("directory", attrs={"name": source_folder}):
"The source code is organized as follows:"
sd.seedir(
source_folder,
style="spaces",
printout=False,
exclude_folders=["__pycache__"],
)
with Tagged("source"):
"The contents of the source code are as follows:"
# 遍历目录下的所有文件
for name in glob.glob(
os.path.join(source_folder, "**", f"*{ext}"), recursive=True
):
with Tagged("file", attrs={"name": name}):
"```python"
with open(name, "r", encoding="utf-8") as f:
f.read()# 读取文件内容并放入提示词中
"```"
"Now begin the chat about the project:\n"
print(f"num_tokens: {get_num_tokens(str(convo()))}")
console = Console()
while True:
(query := prompt("User: ")) # 用户输入对话
if query.startswith("exit"):
break
console.print(make_panel(query, title="User"))
logger.info(f"User: {query}")
with AIRole():
(res := str(gen(stream=True).streaming(title="Assistant")))
logger.info(f"Assistant: {res}")
技术评价：APPL的创新与影响
APPL作为一个开创性的提示词编程工具，展现出了显著的技术优势和广阔的应用前景：
1. 技术创新
架构设计：
创新的提示词上下文系统
高效的并行化调度机制
灵活的工具集成框架
开发体验：
自然的编程范式
简洁的库调用设计
强大的调试能力
性能优化：
智能的资源管理
高效的并行处理
优秀的扩展性
2. 实践价值
开发效率：
显著减少代码量
加快开发速度
降低维护成本
应用场景：
支持复杂AI系统开发
适应多样化的任务需求
便于集成现有系统
生态潜力：
活跃的社区支持
丰富的工具生态
良好的扩展性
结语: 拥抱提示词工程的新范式
APPL代表了提示词工程的未来发展方向。它通过创新的技术架构和丰富的功能特性，为AI应用开发提供了一个强大而灵活的工具。对于Prompt工程师来说，掌握APPL不仅能够提高开发效率，还能够创造出更加强大和可维护的AI应用。
随着APPL的持续发展和完善，我们可以期待看到更多创新性的应用出现，推动整个AI领域向前发展。现在正是开始学习和使用APPL的最佳时机，让我们一起探索这个充满可能的新领域。如果APPL对您有帮助，请点赞在看和转发。以下文章对您可能也有帮助：
