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LangChain源码解析20:长文档如何切成可检索的块

LangChain源码解析20:长文档如何切成可检索的块

上一章拆解了 langchain-tests,看见 LangChain 如何用同一套可执行契约验收不同模型集成。

但在真正进入检索链路之前,还有一道更早、也更容易被低估的工程边界:一篇几十页的文档,究竟应该以什么粒度进入向量库?

切得太大,召回结果会夹带大量无关上下文;切得太小,标题、定义和论证关系会被撕开;重叠太多,索引体积、召回重复和模型输入成本一起上涨;没有来源元数据,最终答案即使正确,也很难给出可靠引用。

所以 text splitting 不是“把字符串每 N 个字符截一刀”。它实际决定了检索系统最小的知识单元。

LangChain 把这套能力独立成 langchain-text-splitters,再用 TextSplitter、RecursiveCharacterTextSplitter、token splitter、标题感知 splitter 和结构化 splitter 处理不同边界。

TextSplitter 的核心不是某一种分隔符,而是一条四层管线:发现候选边界,用可替换的长度函数计量预算,用滚动窗口合并并保留上下文,最后重建带来源信息的 Document。

图 1:从 Document 契约到可检索块的完整管线

一、切分质量决定的不是排版,而是召回单元

假设原文包含三段内容:

标题:退款规则
第一段:适用范围
第二段:退款比例
第三段:例外情况

如果固定每 100 个字符切一次,第二段的条件可能留在前一个 chunk,比例数字落到后一个 chunk。向量检索召回“退款比例”时,只拿到数字却拿不到条件,模型就会在缺失约束的上下文里生成答案。

反过来,如果把整页都作为一个 chunk,标题、范围、比例和例外虽然都在,但检索向量会同时表达多个主题。查询只与其中一小段相关,剩余内容会稀释匹配信号。

切分因此同时影响四件事:

维度
chunk 过大
chunk 过小
召回
主题混杂,精度下降
语义碎裂,召回缺上下文
排序
一个向量承载太多概念
大量近似碎片互相竞争
模型输入
无关 token 增多
需要拼回更多片段
引用
定位范围过宽
标题、页码与正文容易脱节

这也是为什么 LangChain 没把 splitter 藏在某个向量库实现里。它是摄取管线中的独立决策层,应该在 embedding 和索引之前显式存在。

二、langchain-text-splitters 是独立发布的边界层

langchain-text-splitters 是独立版本的包,核心依赖只有 langchain-core。

这个依赖方向很有意思:

langchain-core
  └── Document + BaseDocumentTransformer
          ▲
          │
langchain-text-splitters
  └── 各类切分策略

它不需要知道向量库、Agent 或具体模型,只依赖两项稳定契约:

  1. 输入输出都可以表示为 Document;
  2. 一个 document transformer 接收一组文档并返回变换后的文档。

因此 splitter 既可以独立使用,也能插入更大的文档加载、清洗、切分、嵌入和索引流程。

包的公开入口还特意写了一条提示:MarkdownHeaderTextSplitter 与 HTMLHeaderTextSplitter 并不继承 TextSplitter。

这说明“text splitter”是一个能力集合,不是所有实现都必须塞进同一个继承树。字符串预算型切分和结构解析型切分,输出形状相似,但内部契约并不完全相同。

三、TextSplitter 首先是一个 DocumentTransformer

TextSplitter 的类定义不是孤立的字符串工具:

class TextSplitter(BaseDocumentTransformer, ABC):
    @abstractmethod
    def split_text(self, text: str) -> list[str]:
        ...

它同时提供三层入口:

split_text(text)
  -> list[str]

create_documents(texts, metadatas)
  -> list[Document]

transform_documents(documents)
  -> Sequence[Document]

最底层 split_text() 只关心字符串。create_documents() 把字符串结果包装成文档,transform_documents() 则把 splitter 接回统一的 document transformer 协议。

BaseDocumentTransformer 还提供默认异步入口。它不是重新实现一套异步切分算法,而是通过 executor 执行同步的 transform_documents()。

所以这里的 async 表示“可以在异步管线中调用”,不代表每个 splitter 内部都有原生异步计算。

四、六个参数其实定义了三类不同契约

TextSplitter 的构造参数看起来不多:

TextSplitter(
    chunk_size=4000,
    chunk_overlap=200,
    length_function=len,
    keep_separator=False,
    add_start_index=False,
    strip_whitespace=True,
)

但它们并不是同一层的配置。

参数
所属层
真正控制的行为
chunk_size
预算
一个合并窗口希望容纳的最大长度
chunk_overlap
窗口
上一块尾部希望保留到下一块的长度
length_function
计量
“长度”按字符、token 还是自定义单位计算
keep_separator
边界
分隔符丢弃,或附着在下一块开头/上一块结尾
add_start_index
来源
是否把 chunk 在原文中的字符位置写入 metadata
strip_whitespace
规范化
合并后是否清理首尾空白并丢弃空块

构造函数会拒绝 chunk_size <= 0、负 overlap,以及 chunk_overlap > chunk_size。

注意这里允许二者相等。对字符型 splitter,这在某些输入下仍能结束;但真正按 token 滑动窗口时,步长是 tokens_per_chunk - chunk_overlap,二者相等会让窗口无法前进,因此 token 路径会进一步要求 tokens_per_chunk > chunk_overlap。

同名参数到了不同策略里,仍然要服从该策略能否前进的算法约束。

五、CharacterTextSplitter 是“先拆再合”,不是直接定长切片

最简单的 CharacterTextSplitter 也没有直接写 text[i:i + chunk_size]。

它先按指定 separator 拆出原子片段,再调用 _merge_splits() 把相邻片段合并到预算附近:

splitter = CharacterTextSplitter(
    separator=" ",
    chunk_size=7,
    chunk_overlap=3,
)

splitter.split_text("foo bar baz 123")

结果是:

foo bar
bar baz
baz 123

空格是候选边界,7 是合并预算,3 决定上一窗口尾部能保留多少。算法先形成 foo bar,发现再加入 baz 会超限,于是输出当前块,并从窗口头部弹出 foo,留下 bar 参与下一块。

这类设计的价值是:chunk 尽量接近预算,但边界仍然落在完整单词之间。

separator 还可以是正则表达式。实现会区分普通分隔符与零宽 lookaround:普通分隔符在 keep_separator=False 时可以在合并阶段重新插回;零宽断言本身不消费字符,不能被当成普通文本再次插入。

六、分隔符放在开头还是结尾,会改变语义归属

keep_separator 不只是“保不保留标点”。它还决定边界属于哪一侧。

对输入:

foo.bar.baz.123

使用 . 切分时,三种结果分别是:

False   -> foo | bar | baz | 123
start   -> foo | .bar | .baz | .123
end     -> foo. | bar. | baz. | 123

对自然语言,句号通常更适合留在前一句结尾;对 Markdown 标题,\n## 更适合留在下一段开头;对代码中的 \nclass 或 \ndef,把关键字留在新块开头,更有利于块自身表达结构。

RecursiveCharacterTextSplitter 默认 keep_separator=True,等价于放在下一块开头。这与普通 CharacterTextSplitter 默认丢弃 separator 不同。

默认值的差异反映了两种意图:固定 separator 更像显式切割;递归 separator 更强调在降级切分时保存结构提示。

七、递归切分的关键,是“高层边界优先,超长才降级”

RecursiveCharacterTextSplitter 默认分隔符顺序是:

["\n\n", "\n", " ", ""]

它的流程不是同时尝试四种切法再评分,而是按优先级寻找当前文本中第一个存在的 separator:

  1. 能按段落拆,就先保护段落边界;
  2. 某个段落仍然太长,再对这个段落按换行拆;
  3. 某一行仍然太长,再按空格拆;
  4. 单词仍然太长,最后退到空字符串,按字符拆。

伪代码可以概括为:

choose first separator found in text
split text by it

for each piece:
    if piece fits budget:
        collect as good split
    else:
        merge collected good splits
        recurse piece with lower-priority separators

merge remaining good splits

这里的递归只发生在超长片段上。已经满足预算的片段不会继续被低层 separator 打碎,而是交给统一合并器尽量拼成更饱满的 chunk。

图 2:递归边界选择与滚动 overlap 状态

八、_merge_splits() 才是所有字符与句子策略共享的核心

无论候选片段来自空格、段落、NLTK 句子还是 spaCy sentence,很多 splitter 最终都会进入 _merge_splits()。

它维护两个状态:

current_doc: 当前窗口中的完整片段列表
total:       片段长度 + 片段间 separator 长度

当加入新片段会超过 chunk_size 时:

  1. 先把当前窗口 join 成一个 chunk;
  2. 如果窗口总长大于 overlap,从头部不断弹出片段;
  3. 即使已经不大于 overlap,但“保留尾部 + 新片段”仍然超预算,也会继续弹出;
  4. 最后把新片段加入剩余窗口。

这不是一个只判断一次的 if,而是一个持续收缩窗口的 while。

第二个收缩条件很重要。否则为了保住 overlap,下一块可能在加入第一个新片段时就再次超限,算法会制造连续的大块。

最后 _join_docs() 负责拼接 separator、按配置 strip 首尾空白,并把空字符串转换成 None,因此空输入和纯空白输入不会生成空 Document。

九、chunk_overlap=200 不代表精确复制 200 个字符

这是使用 splitter 时最容易产生的误解之一。

_merge_splits() 的窗口元素不是单个字符,而是前一步产生的完整片段。算法只能从头部整片弹出,不能为了凑满 200 再把某个句子切成两半。

假设尾部片段长度分别是 280 和 180,目标 overlap 是 200。输出 chunk 后,算法弹出 280,留下完整的 180。下一块的有效 overlap 是 180,而不是精确的 200。

如果最后一个原子片段本身是 260,它又会被整片弹出,实际 overlap 可能变成 0。

所以 separator-based splitter 的 overlap 更准确的定义是:

在不破坏原子边界和下一块预算的前提下,尽量保留不超过目标 overlap 的尾部片段。

这个取舍是合理的。重叠的目的本来就是保留语义连接;为了精确达到字符数而切开句子,反而会破坏它试图保护的内容。

十、chunk_size 也常常是软预算,而不是绝对上限

CharacterTextSplitter(separator=" ") 遇到一个长度 20 的单词,而 chunk_size=10 时,没有更细的 separator 可以继续切。这个单词会作为一个超过预算的原子块返回。

RecursiveCharacterTextSplitter 默认把空字符串放在最后,因此通常可以一路退到字符级,把普通文本压进预算。但以下情况仍然可能产生超长块:

  • 调用方自定义 separators,却没有提供最终字符级后备;
  • 一个最小原子单位在自定义 length_function 下就已经超过预算;
  • 结构型 splitter 为了保存标签、代码块或媒体元素,主动选择不继续拆解。

因此工程上不应该只写:

assert all(len(chunk) <= chunk_size for chunk in chunks)

更合理的是同时记录超长原因:它是配置遗漏、不可分结构,还是业务主动允许的原子单元。

chunk_size 是合并器努力满足的预算;是否成为硬上限,取决于策略有没有可靠的最小后备边界。

十一、按 token 计量和按 token 切片,是两件不同的事

length_function 让字符型 splitter 可以改用 tokenizer 计量:

splitter = RecursiveCharacterTextSplitter.from_tiktoken_encoder(
    encoding_name="cl100k_base",
    chunk_size=800,
    chunk_overlap=100,
)

这时边界仍然来自段落、换行、空格和字符,只是 _merge_splits() 判断预算时调用 tokenizer 计算 token 数。

而 TokenTextSplitter 走的是另一条路径:

text
  -> encode token ids
  -> ids[start:start + tokens_per_chunk]
  -> decode chunk
  -> start += tokens_per_chunk - chunk_overlap

二者差异可以直接列成表:

方案
边界来自哪里
预算如何计算
适合场景
Recursive + token length
段落/句子/字符
tokenizer
希望兼顾结构与模型预算
TokenTextSplitter
token 下标
token 数
必须严格控制 token 窗口
SentenceTransformers splitter
embedding tokenizer
模型最大序列长度
与 embedding 模型窗口对齐

Sentence Transformers 路径还会先去掉 tokenizer 自动加入的开始与结束 token,再做窗口切片,避免把特殊 token 当成正文预算反复计算。

所以“用了 tiktoken”不能直接推导出“按 token 边界切”。要看它只是 length_function,还是直接驱动窗口下标。

十二、Document 重建负责把切分结果重新接回来源

create_documents() 会遍历原始文本,为每个 chunk 创建新的 Document。

它对 metadata 使用深拷贝:

parent metadata
  -> deepcopy -> chunk 1 metadata
  -> deepcopy -> chunk 2 metadata

因此给 chunk 1 增加 rerank 分数或清洗标记,不会污染 chunk 2,也不会修改原始文档的嵌套 metadata。

开启 add_start_index=True 后,它还会在 metadata 中写入字符偏移:

Document(
    page_content="bar baz",
    metadata={"source": "policy.md", "start_index": 4},
)

这个位置不是 parser 在切分时一路携带的 source map,而是在 chunk 生成后,通过 text.find() 回原文搜索得到。搜索起点会参考前一块位置、前一块字符长度和 overlap,避免重复文本总是命中第一次出现的位置。

这里有两个边界值得记住:

  1. start_index
     是原始字符串的字符偏移,不是 token 下标;
  2. split_documents()
     传递的是 page_content 与 metadata,不会自动继承父 Document.id。

如果检索链路依赖稳定父文档 ID,应该把它显式放进 metadata,例如 parent_id,而不是假设子块保留对象级 ID。

十三、标题感知 splitter 为什么不必继承 TextSplitter

MarkdownHeaderTextSplitter 的目标不是先满足字符预算,而是把标题层级转成 metadata:

# 产品手册
## 退款规则
正文

-> Document(
     page_content="正文",
     metadata={"h1": "产品手册", "h2": "退款规则"}
   )

它直接返回 Document,因为输出不只是字符串碎片,还包含解析过程中得到的结构信息。

HTML 也有类似分层:

  • HTMLHeaderTextSplitter
     按标题组织内容;
  • HTMLSectionSplitter
     先提取 section,再用递归字符切分处理超长 section;
  • HTMLSemanticPreservingSplitter
     直接实现 BaseDocumentTransformer,保存链接、列表、表格或媒体等元素,并组合 RecursiveCharacterTextSplitter 做二次预算切分。

RecursiveJsonSplitter 则保留 JSON 层级路径,必要时把 list 转成按索引命名的 dict,再按序列化大小组织 chunk。它没有 overlap 语义,也不需要继承字符串窗口算法。

从这些实现可以看出一个清晰原则:

当策略的首要任务是解析结构和生成 metadata 时,直接返回 Document 更自然;当首要任务是围绕统一预算合并文本片段时,继承 TextSplitter 更合适。

十四、代码与 Markdown 的“语言感知”仍然是优先级规则,不是 AST

RecursiveCharacterTextSplitter.from_language(Language.PYTHON) 会为 Python 配置类似这样的 separator:

\nclass 
\ndef 
\n\tdef 
\n\n
\n
space
empty

Markdown 则优先标题、代码围栏和水平线,HTML 优先常见标签,其他语言也会列出 class、function、control flow 等候选边界。

from_language() 会把这些规则当成正则 separator 使用,但它并没有构建语法树。

因此它能做到的是“优先在看起来像结构边界的位置切”,不能保证:

  • 字符串字面量里的 class 一定被识别为普通文本;
  • 嵌套函数、装饰器与注释始终归属正确;
  • 一个 chunk 必然对应完整 AST 节点;
  • 非法或不完整代码仍能被正确解析。

这种方案的优势是轻量、无编译器依赖、对残缺文本也能工作;代价是语义保证弱于真正的 parser。

把它称为“语言优先级切分”比“语法解析切分”更准确。

十五、最稳妥的实践是先保结构,再控制预算

对于 Markdown,一条常见的两阶段管线是:

from langchain_text_splitters import (
    MarkdownHeaderTextSplitter,
    RecursiveCharacterTextSplitter,
)

sections = MarkdownHeaderTextSplitter(
    headers_to_split_on=[("#", "h1"), ("##", "h2")]
).split_text(markdown_text)

chunks = RecursiveCharacterTextSplitter(
    chunk_size=800,
    chunk_overlap=120,
    keep_separator="start",
    add_start_index=True,
).transform_documents(sections)

第一阶段把标题变成 metadata,第二阶段只处理仍然过长的正文。这样比直接对整篇 Markdown 做字符递归多保留了一层可用于过滤、引用和展示的结构。

不同输入可以采用不同组合:

输入
优先策略
二次策略
普通长文
RecursiveCharacter
token-aware length
Markdown
Header splitter
RecursiveCharacter
HTML 页面
Header/Semantic splitter
RecursiveCharacter
源代码
from_language()
必要时 AST splitter
JSON
RecursiveJson
按业务字段补 metadata
严格模型窗口
TokenTextSplitter
调用前再次核算 prompt

不存在一个对所有文档都最优的 chunk_size。边界类型、embedding 模型、查询长度、召回数量和下游 prompt 都会改变最佳粒度。

十六、切分器应该用检索不变量验收,而不是只看块数量

一套可执行的验收至少应该覆盖:

  1. 空输入和纯空白不产生空块;
  2. 普通块符合预算,超长原子块有明确原因;
  3. separator 的 start/end 归属与业务语义一致;
  4. metadata 在不同 chunk 之间互不共享可变对象;
  5. 开启 start_index 时,原文切片能还原 chunk;
  6. 相同输入重复切分得到稳定顺序;
  7. token 预算使用与下游模型或 embedding 相同的 tokenizer;
  8. 用真实查询评估召回,而不是只优化平均 chunk 长度。

最后一条最重要。

切分算法只能提供候选边界与预算保证,无法单独证明检索效果。真正的闭环应该是:

切分配置
  -> 建索引
  -> 真实查询集
  -> recall / precision / citation coverage
  -> 调整边界、预算与 overlap

回头看,langchain-text-splitters 的设计重点不是发明一种万能分块算法,而是把边界、长度、重叠和来源拆成可以独立替换的策略。

这使同一份 Document 契约既能承接轻量字符递归,也能承接 token 窗口、标题 metadata、HTML 语义块和 JSON 层级,而下游向量库只需要面对统一的检索单元。

系列链接

第 1 篇:LangChain源码解析01:先看懂Agent工程骨架

第 2 篇:LangChain源码解析02:Runnable把一切串起来

第 3 篇:LangChain源码解析03:RunnableConfig如何追踪到底

第 4 篇:LangChain源码解析04:Message不只是字符串

第 5 篇:LangChain源码解析05:Tool如何从函数变成契约

第 6 篇:LangChain源码解析06:Prompt和Parser守住两端

第 7 篇:LangChain源码解析07:BaseChatModel如何统一模型调用

第 8 篇:LangChain源码解析08:init_chat_model如何动态切换模型

第 9 篇:LangChain源码解析09:create_agent如何编译Agent运行图

第 10 篇:LangChain源码解析10:Agent条件边如何决定下一步

第 11 篇:LangChain源码解析11:middleware如何接管Agent执行链

第 12 篇:LangChain源码解析12:结构化输出如何在两种策略间切换

第 13 篇:LangChain源码解析13:ToolRuntime如何把上下文注入工具

第 14 篇:LangChain源码解析14:stream_events如何汇合Agent多路事件

第 15 篇:LangChain源码解析15:Agent为什么最终变成StateGraph

第 16 篇:LangChain源码解析16:AgentExecutor如何驱动经典Agent循环

第 17 篇:LangChain源码解析17:ChatOpenAI如何统一两套API

第 18 篇:LangChain源码解析18:ChatAnthropic如何编排思考与工具

第 19 篇:LangChain源码解析19:一套测试如何验收所有模型

源码参考: GitHub: https://github.com/langchain-ai/langchain

当文档已经被切成稳定的检索单元后,运行时又怎样知道不同模型的上下文窗口、工具调用、结构化输出和多模态能力,而不把这些事实写死在每个集成里?

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