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使用 Golang 创建本地 LLM 应用程序:从零开始的 AI 冒险



使用 Golang 创建本地 LLM 应用程序:从零开始的 AI 冒险 

嘿,朋友们!想象一下,你可以拥有一款完全属于自己的本地大语言模型(LLM)应用程序,不依赖云端 API,想怎么用就怎么用,是不是听起来很酷?今天,我们就来聊聊如何用 Golang 打造这样一个本地 LLM 应用。我会带你一步步实现这个目标,分享一些实际案例、经验教训,甚至还有一些“踩坑”心得。准备好了吗?让我们开始这场 AI 冒险吧!

为什么选择 Golang 来开发本地 LLM 应用? 

在动手之前,先聊聊为什么选择 Golang。Golang 作为一门高效、并发能力强、部署简单的语言,非常适合开发本地 LLM 应用。以下是它的几个“杀手锏”:

当然,Golang 也不是万能的,比如在直接调用某些深度学习框架(如 PyTorch 或 TensorFlow)时,可能需要借助 CGO 或外部接口。但别担心,我会教你如何绕过这些障碍。


动手前的准备:明确需求与技术选型 

在开发本地 LLM 应用时,我们需要明确几个核心需求:

  1. 模型选择:你想使用哪个开源 LLM?常见的模型有 LLaMA、Mistral 或者更轻量级的模型如 TinyLLaMA。模型的选择会直接影响性能和硬件需求。
  2. 推理引擎:本地推理需要高效的引擎支持,比如 llama.cpp 或 onnxruntime,它们可以将模型高效运行在 CPU 或 GPU 上。
  3. 功能设计:你的应用需要实现哪些功能?是简单的文本生成,还是更复杂的对话系统,甚至是多模态支持?

为了让文章更有趣,我会以一个实际案例为蓝本:假设我们要开发一个“本地文档问答助手”,用户可以上传文档,应用会基于文档内容回答问题。这个案例不仅实用,还能帮助我们探索 LLM 的核心技术。

技术选型清单

组件选型建议理由
模型
LLaMA 或 Mistral
开源、性能好,社区支持丰富
推理引擎
llama.cpp
轻量级,支持 CPU 和 GPU 推理
数据存储
SQLite 或本地文件系统
简单、轻量,适合本地应用
用户界面
CLI 或基于 wails 的 GUI
CLI 适合快速原型,GUI 提升用户体验
外部接口
gRPC 或 REST API
便于扩展和与其他系统集成

核心实现:用 Golang 一步步构建本地 LLM 应用 

现在,我们进入实际开发环节。我会把实现过程分为几个关键步骤,并分享详细的代码和经验。

步骤 1:集成推理引擎

本地 LLM 应用的核心是模型推理。直接用 Golang 写一个推理引擎显然不现实,我们可以借助 llama.cpp 提供的 C 库,通过 CGO 调用它。以下是一个详细的集成示例,包括模型加载、参数配置和错误处理:

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "unsafe"
    "C"
)

// #cgo CFLAGS: -I/path/to/llama.cpp/include
// #cgo LDFLAGS: -L/path/to/llama.cpp/lib -lllama -lm -lstdc++
// #include <stdlib.h>
// #include <llama.h>
import"C"

type Model struct {
    handle *C.llama_model
}

// LoadModel 加载 LLM 模型
func LoadModel(modelPath string) (*Model, error) {
    cModelPath := C.CString(modelPath)
    defer C.free(unsafe.Pointer(cModelPath))

    // 配置模型参数
    params := C.llama_model_default_params()
    params.n_gpu_layers = 0// 默认使用 CPU,设为非 0 可启用 GPU
    params.main_gpu = 0     // 默认 GPU 设备

    model := C.llama_load_model_from_file(cModelPath, params)
    if model == nil {
        returnnil, fmt.Errorf("failed to load model from %s", modelPath)
    }

    return &Model{handle: model}, nil
}

// FreeModel 释放模型资源
func (m *Model) FreeModel() {
    if m.handle != nil {
        C.llama_free_model(m.handle)
        m.handle = nil
    }
}

func main() {
    modelPath := "/path/to/model.gguf"
    model, err := LoadModel(modelPath)
    if err != nil {
        log.Fatalf("模型加载失败:%v", err)
    }
    defer model.FreeModel()

    fmt.Println("模型加载成功!")
}

关键点

经验分享:我曾经因为忘记设置 LD_LIBRARY_PATH 而花了好几个小时调试链接问题。所以,强烈建议你在开发环境和部署环境都验证一下动态库路径是否正确。另外,如果你使用的是量化模型(比如 4-bit 或 8-bit),可以显著降低内存占用,但可能会牺牲一些精度。

步骤 2:实现上下文管理和文本生成

加载模型后,我们需要实现文本生成的核心逻辑。文本生成需要管理上下文(context),以支持多轮对话。以下是一个详细的实现,包括上下文初始化、参数调整和文本生成:

type Context struct {
    handle *C.llama_context
}

// NewContext 创建新的上下文
func NewContext(model *Model, maxTokens int) (*Context, error) {
    ctxParams := C.llama_context_default_params()
    ctxParams.n_ctx = C.int(maxTokens) // 设置最大上下文长度
    ctxParams.n_threads = C.int(4)     // 使用 4 个线程进行推理

    ctx := C.llama_new_context_with_model(model.handle, ctxParams)
    if ctx == nil {
        returnnil, fmt.Errorf("failed to create context")
    }

    return &Context{handle: ctx}, nil
}

// FreeContext 释放上下文资源
func (c *Context) FreeContext() {
    if c.handle != nil {
        C.llama_free(c.handle)
        c.handle = nil
    }
}

// GenerateText 生成文本
func (c *Context) GenerateText(prompt string, maxTokens int, temperature float32) (string, error) {
    cPrompt := C.CString(prompt)
    defer C.free(unsafe.Pointer(cPrompt))

    // 配置生成参数
    genParams := C.llama_generate_params{
        n_predict:  C.int(maxTokens), // 最大生成 token 数
        temp:       C.float(temperature), // 温度参数,控制生成内容的创造性
        top_k:      40,               // Top-k 采样
        top_p:      C.float(0.95),    // Top-p 采样
    }

    // 清空当前上下文并加载新提示
    C.llama_reset(c.handle)
    if err := c.loadPrompt(cPrompt); err != nil {
        return"", err
    }

    // 执行生成
    output := make([]byte0, maxTokens*4// 预分配缓冲区
    for i := 0; i < int(genParams.n_predict); i++ {
        token := C.llama_generate_next(c.handle, &genParams)
        if token == C.llama_token_eos() {
            break
        }
        tokenStr := C.llama_token_to_str(c.handle, token)
        output = append(output, C.GoString(tokenStr)...)
    }

    returnstring(output), nil
}

// loadPrompt 将提示加载到上下文中
func (c *Context) loadPrompt(prompt *C.char) error {
    tokens := C.llama_tokenize(c.handle, prompt, C.int(1)) // 1 表示添加 BOS token
    defer C.llama_free_tokens(tokens)

    if tokens == nil {
        return fmt.Errorf("failed to tokenize prompt")
    }

    for i := 0; i < int(tokens.n); i++ {
        if C.llama_decode(c.handle, tokens.data[i]) != 0 {
            return fmt.Errorf("failed to decode token %d", i)
        }
    }

    returnnil
}

func main() {
    modelPath := "/path/to/model.gguf"
    model, err := LoadModel(modelPath)
    if err != nil {
        log.Fatalf("模型加载失败:%v", err)
    }
    defer model.FreeModel()

    ctx, err := NewContext(model, 2048// 支持最大 2048 个 token 的上下文
    if err != nil {
        log.Fatalf("上下文创建失败:%v", err)
    }
    defer ctx.FreeContext()

    prompt := "请告诉我如何提高 Golang 编程效率"
    response, err := ctx.GenerateText(prompt, 2560.7)
    if err != nil {
        log.Fatalf("生成失败:%v", err)
    }
    fmt.Println("模型回复:", response)
}

关键点

经验分享:在调试生成逻辑时,我发现如果提示文本中包含特殊字符(比如换行符或非 UTF-8 编码),可能会导致分词失败。建议在加载提示前对文本进行清洗,比如用正则表达式去除非法字符。

步骤 3:处理文档问答

为了实现“本地文档问答助手”的功能,我们需要将用户上传的文档内容嵌入到 LLM 的输入中。这里可以用一种简单但有效的方法:将文档内容作为上下文,拼接在用户问题之前。以下是一个详细的实现,包括文档分片和上下文长度管理:

// AnswerQuestion 基于文档回答问题
func (c *Context) AnswerQuestion(document, question string, maxTokens int) (string, error) {
    // 如果文档过长,进行分片
    const maxDocTokens = 1500// 预留 500 个 token 给问题和回答
    docTokens := estimateTokenCount(document) // 估算文档 token 数
    if docTokens > maxDocTokens {
        document = truncateDocument(document, maxDocTokens)
    }

    // 构造提示
    prompt := fmt.Sprintf(
        "以下是文档内容:\n%s\n\n根据文档回答以下问题:\n%s",
        document, question,
    )

    return c.GenerateText(prompt, maxTokens, 0.7)
}

// estimateTokenCount 估算文本的 token 数(简化版)
func estimateTokenCount(text string) int {
    // 假设每个字符大约对应 0.5 个 token(实际应使用分词器)
    returnlen(text) / 2
}

// truncateDocument 截断文档到指定 token 数
func truncateDocument(document string, maxTokens int) string {
    // 简单截断(实际应用中应考虑语义完整性)
    maxChars := maxTokens * 2
    iflen(document) > maxChars {
        return document[:maxChars]
    }
    return document
}

func main() {
    modelPath := "/path/to/model.gguf"
    model, err := LoadModel(modelPath)
    if err != nil {
        log.Fatalf("模型加载失败:%v", err)
    }
    defer model.FreeModel()

    ctx, err := NewContext(model, 2048)
    if err != nil {
        log.Fatalf("上下文创建失败:%v", err)
    }
    defer ctx.FreeContext()

    document := "Golang 是一种高效的编程语言,适合并发任务。它的 Goroutines 机制非常强大..."
    question := "Golang 适合哪些任务?"
    response, err := ctx.AnswerQuestion(document, question, 256)
    if err != nil {
        log.Fatalf("生成失败:%v", err)
    }
    fmt.Println("回答:", response)
}

关键点

最佳实践

步骤 4:设计用户界面

一个好的本地应用需要友好的用户界面。对于快速原型,我推荐用命令行界面(CLI)。以下是一个详细的 CLI 实现,包括文档输入、问题输入和错误处理:

import (
    "bufio"
    "fmt"
    "log"
    "os"
    "strings"
)

func runCLI(ctx *Context) {
    scanner := bufio.NewScanner(os.Stdin)

    // 输入文档
    fmt.Println("欢迎使用本地文档问答助手!请输入文档内容(输入空行结束):")
    var document strings.Builder
    for scanner.Scan() {
        line := scanner.Text()
        if line == "" {
            break
        }
        document.WriteString(line + "\n")
    }

    if document.Len() == 0 {
        fmt.Println("错误:文档内容不能为空!")
        return
    }

    // 循环提问
    for {
        fmt.Println("\n请输入您的问题(输入 'exit' 退出):")
        scanner.Scan()
        question := scanner.Text()
        if question == "exit" {
            break
        }

        if question == "" {
            fmt.Println("错误:问题不能为空!")
            continue
        }

        response, err := ctx.AnswerQuestion(document.String(), question, 256)
        if err != nil {
            fmt.Printf("生成失败:%v\n", err)
            continue
        }
        fmt.Println("回答:", response)
    }
}

func main() {
    modelPath := "/path/to/model.gguf"
    model, err := LoadModel(modelPath)
    if err != nil {
        log.Fatalf("模型加载失败:%v", err)
    }
    defer model.FreeModel()

    ctx, err := NewContext(model, 2048)
    if err != nil {
        log.Fatalf("上下文创建失败:%v", err)
    }
    defer ctx.FreeContext()

    runCLI(ctx)
}

关键点

如果你想进一步提升用户体验,可以用 wails 框架开发一个现代化的 GUI 界面。wails 是一个基于 Go 和 Web 技术的跨平台 GUI 框架,允许使用 HTML/CSS/JavaScript 开发前端界面,同时用 Go 编写后端逻辑。以下是一个详细的 wails 实现,包括项目初始化、前端界面和后端逻辑。

使用 Wails 开发 GUI

1. 安装 Wails

首先,确保你已经安装了 Node.js 和 npm(用于前端开发)。然后,安装 wails CLI 工具:

go install github.com/wailsapp/wails/v2/cmd/wails@latest
2. 创建 Wails 项目

在项目目录中,运行以下命令初始化一个新的 wails 项目:

wails init -n llm-app -t vue

这会创建一个名为 llm-app 的项目,使用 Vue.js 作为前端框架。你也可以选择其他前端框架(如 React 或 Svelte),但这里我们以 Vue 为例。

3. 编写后端逻辑

在 main.go 中,定义后端逻辑,包括模型加载、上下文管理和文档问答功能。以下是完整的 main.go 文件:

package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "log"
    "unsafe"
    "C"
    "github.com/wailsapp/wails/v2/pkg/runtime"
)

// #cgo CFLAGS: -I/path/to/llama.cpp/include
// #cgo LDFLAGS: -L/path/to/llama.cpp/lib -lllama -lm -lstdc++
// #include <stdlib.h>
// #include <llama.h>
import"C"

type Model struct {
    handle *C.llama_model
}

type Context struct {
    handle *C.llama_context
}

type App struct {
    ctx     context.Context
    model   *Model
    llmCtx  *Context
}

// LoadModel 加载 LLM 模型
func LoadModel(modelPath string) (*Model, error) {
    cModelPath := C.CString(modelPath)
    defer C.free(unsafe.Pointer(cModelPath))

    params := C.llama_model_default_params()
    params.n_gpu_layers = 0
    params.main_gpu = 0

    model := C.llama_load_model_from_file(cModelPath, params)
    if model == nil {
        returnnil, fmt.Errorf("failed to load model from %s", modelPath)
    }

    return &Model{handle: model}, nil
}

func (m *Model) FreeModel() {
    if m.handle != nil {
        C.llama_free_model(m.handle)
        m.handle = nil
    }
}

func NewContext(model *Model, maxTokens int) (*Context, error) {
    ctxParams := C.llama_context_default_params()
    ctxParams.n_ctx = C.int(maxTokens)
    ctxParams.n_threads = C.int(4)

    ctx := C.llama_new_context_with_model(model.handle, ctxParams)
    if ctx == nil {
        returnnil, fmt.Errorf("failed to create context")
    }

    return &Context{handle: ctx}, nil
}

func (c *Context) FreeContext() {
    if c.handle != nil {
        C.llama_free(c.handle)
        c.handle = nil
    }
}

func (c *Context) GenerateText(prompt string, maxTokens int, temperature float32) (string, error) {
    cPrompt := C.CString(prompt)
    defer C.free(unsafe.Pointer(cPrompt))

    genParams := C.llama_generate_params{
        n_predict:  C.int(maxTokens),
        temp:       C.float(temperature),
        top_k:      40,
        top_p:      C.float(0.95),
    }

    C.llama_reset(c.handle)
    if err := c.loadPrompt(cPrompt); err != nil {
        return"", err
    }

    output := make([]byte0, maxTokens*4)
    for i := 0; i < int(genParams.n_predict); i++ {
        token := C.llama_generate_next(c.handle, &genParams)
        if token == C.llama_token_eos() {
            break
        }
        tokenStr := C.llama_token_to_str(c.handle, token)
        output = append(output, C.GoString(tokenStr)...)
    }

    returnstring(output), nil
}

func (c *Context) loadPrompt(prompt *C.char) error {
    tokens := C.llama_tokenize(c.handle, prompt, C.int(1))
    defer C.llama_free_tokens(tokens)

    if tokens == nil {
        return fmt.Errorf("failed to tokenize prompt")
    }

    for i := 0; i < int(tokens.n); i++ {
        if C.llama_decode(c.handle, tokens.data[i]) != 0 {
            return fmt.Errorf("failed to decode token %d", i)
        }
    }

    returnnil
}

func (c *Context) AnswerQuestion(document, question string, maxTokens int) (string, error) {
    const maxDocTokens = 1500
    docTokens := estimateTokenCount(document)
    if docTokens > maxDocTokens {
        document = truncateDocument(document, maxDocTokens)
    }

    prompt := fmt.Sprintf(
        "以下是文档内容:\n%s\n\n根据文档回答以下问题:\n%s",
        document, question,
    )

    return c.GenerateText(prompt, maxTokens, 0.7)
}

func estimateTokenCount(text string) int {
    returnlen(text) / 2
}

func truncateDocument(document string, maxTokens int) string {
    maxChars := maxTokens * 2
    iflen(document) > maxChars {
        return document[:maxChars]
    }
    return document
}

// NewApp 创建应用实例
func NewApp() *App {
    return &App{}
}

// Startup 在应用启动时调用
func (a *App) Startup(ctx context.Context) {
    a.ctx = ctx

    modelPath := "/path/to/model.gguf"
    model, err := LoadModel(modelPath)
    if err != nil {
        runtime.LogError(a.ctx, fmt.Sprintf("模型加载失败:%v", err))
        return
    }
    a.model = model

    llmCtx, err := NewContext(model, 2048)
    if err != nil {
        runtime.LogError(a.ctx, fmt.Sprintf("上下文创建失败:%v", err))
        return
    }
    a.llmCtx = llmCtx
}

// Shutdown 在应用关闭时调用
func (a *App) Shutdown(ctx context.Context) {
    if a.llmCtx != nil {
        a.llmCtx.FreeContext()
    }
    if a.model != nil {
        a.model.FreeModel()
    }
}

// AskQuestion 提供给前端调用的问答接口
func (a *App) AskQuestion(document, question string) string {
    if document == "" || question == "" {
        return"错误:文档或问题不能为空!"
    }

    response, err := a.llmCtx.AnswerQuestion(document, question, 256)
    if err != nil {
        return fmt.Sprintf("生成失败:%v", err)
    }
    return response
}

func main() {
    app := NewApp()
    runtime.Run(app)
}
4. 编写前端界面

在 frontend 目录下,修改 src/App.vue 文件,创建一个简单的用户界面,包括文档输入框、问题输入框和回答显示区域:

<template>
  <div id="app">
    <h1>本地文档问答助手</h1>
    <div class="input-section">
      <label>文档内容:</label>
      <textarea v-model="document" placeholder="请输入文档内容..."></textarea>
    </div>
    <div class="input-section">
      <label>问题:</label>
      <input v-model="question" placeholder="请输入您的问题..." @keyup.enter="askQuestion" />
    </div>
    <button @click="askQuestion">提交</button>
    <div class="output-section">
      <label>回答:</label>
      <p>{{ answer }}</p>
    </div>
  </div>
</template>

<script>
export default {
  name: 'App',
  data() {
    return {
      document: '',
      question: '',
      answer: '回答将显示在这里',
    }
  },
  methods: {
    async askQuestion() {
      try {
        const response = await window.go.main.App.AskQuestion(this.document, this.question)
        this.answer = response
      } catch (error) {
        this.answer = `错误:${error}`
      }
    },
  },
}
</script>

<style>
#app {
  font-family: Arial, sans-serif;
  max-width: 800px;
  margin: 0 auto;
  padding: 20px;
}

.input-section {
  margin-bottom: 20px;
}

label {
  display: block;
  margin-bottom: 5px;
  font-weight: bold;
}

textarea, input {
  width: 100%;
  padding: 8px;
  margin-bottom: 10px;
  border: 1px solid #ccc;
  border-radius: 4px;
}

textarea {
  height: 200px;
}

button {
  padding: 10px 20px;
  background-color: #007BFF;
  color: white;
  border: none;
  border-radius: 4px;
  cursor: pointer;
}

button:hover {
  background-color: #0056b3;
}

.output-section {
  margin-top: 20px;
}

.output-section p {
  padding: 10px;
  background-color: #f8f9fa;
  border: 1px solid #ddd;
  border-radius: 4px;
  min-height: 100px;
}
</style>
5. 构建和运行

在项目根目录下,运行以下命令构建和运行应用:

wails dev

这会启动一个开发服务器,并在本地打开 GUI 窗口。你可以通过以下命令构建生产版本:

wails build

构建完成后,你将在 build/bin 目录下找到适用于当前平台的二进制文件。

关键点

经验分享:在开发 wails 应用时,我发现前端调试非常重要。建议在开发模式下(wails dev)使用浏览器的开发者工具(F12)检查 JavaScript 控制台日志,以便快速定位问题。


技术挑战与解决方案 

在开发过程中,你可能会遇到一些技术挑战。以下是我总结的一些常见问题和解决方案:

  1. 内存管理问题
    • 问题:加载大模型时,内存占用过高,甚至导致程序崩溃。
    • 解决方案:使用量化模型(比如 4-bit 或 8-bit 量化),或者在程序启动时检查可用内存,动态调整模型大小。以下是一个内存检查的示例:
import (
    "github.com/shirou/gopsutil/mem"
)

func checkMemory() (bool, error) {
    vm, err := mem.VirtualMemory()
    if err != nil {
        returnfalse, err
    }
    const minMemoryGB = 8// 至少需要 8GB 可用内存
    availableGB := float64(vm.Available) / 1024 / 1024 / 1024
    if availableGB < minMemoryGB {
        returnfalse, fmt.Errorf("可用内存不足,需要至少 %dGB,当前可用 %.2fGB", minMemoryGB, availableGB)
    }
    returntruenil
}

func (a *App) Startup(ctx context.Context) {
    a.ctx = ctx

    ok, err := checkMemory()
    if !ok {
        runtime.LogError(a.ctx, fmt.Sprintf("内存检查失败:%v", err))
        return
    }

    modelPath := "/path/to/model.gguf"
    model, err := LoadModel(modelPath)
    if err != nil {
        runtime.LogError(a.ctx, fmt.Sprintf("模型加载失败:%v", err))
        return
    }
    a.model = model

    llmCtx, err := NewContext(model, 2048)
    if err != nil {
        runtime.LogError(a.ctx, fmt.Sprintf("上下文创建失败:%v", err))
        return
    }
    a.llmCtx = llmCtx
}
  1. 推理速度慢
    • 问题:在低端硬件上,推理速度可能慢到无法接受。
    • 解决方案:启用模型并行化(比如在 llama.cpp 中启用多线程),或者提示用户升级硬件。以下是一个启用多线程的配置:
ctxParams := C.llama_context_default_params()
ctxParams.n_ctx = C.int(maxTokens)
ctxParams.n_threads = C.int(runtime.NumCPU()) // 使用所有可用 CPU 核心
  1. 模型兼容性问题
    • 问题:下载的模型文件与 llama.cpp 的版本不兼容。
    • 解决方案:确保模型文件和推理引擎的版本匹配,必要时重新下载或转换模型格式。以下是一个简单的模型版本检查脚本:
#!/bin/bash
MODEL_PATH="/path/to/model.gguf"
LLAMA_CPP_VERSION="0.2.0" # 假设需要的版本
MODEL_VERSION=$(llama.cpp --version $MODEL_PATH | grep "Model Version")

if [[ "$MODEL_VERSION" != *"$LLAMA_CPP_VERSION"* ]]; then
    echo "模型版本不兼容!需要 llama.cpp $LLAMA_CPP_VERSION"
    exit 1
fi
echo "模型版本兼容!"

总结:开启你的本地 LLM 冒险 

通过这篇文章,我们一起探索了如何用 Golang 打造一个本地 LLM 应用。从模型加载到文本生成,再到文档问答功能,我们不仅实现了核心功能,还讨论了潜在的技术挑战和解决方案。希望这些经验能帮助你在自己的项目中少走弯路。

更重要的是,这只是一个起点!本地 LLM 应用的潜力是无限的。你可以进一步扩展功能,比如支持语音输入、集成多模态模型,甚至开发一个完全离线的智能助手。记住,技术的乐趣在于探索和创造,所以不要害怕尝试新东西。

最后,我想说:开发本地 LLM 应用不仅是一项技术挑战,更是一场创造力的冒险。无论是为了提高工作效率,还是单纯为了好玩,这个项目都值得你投入时间和热情。快去动手试试吧,未来的 AI 大佬可能就是你!


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