LLMs之StructuredOutput：大模型结构化输出的简介、常用方案、前沿框架之详细攻略
LLMs之StructuredOutput：大模型结构化输出的简介、常用方案、前沿框架之详细攻略
目录
大模型结构化输出的简介
1、特点与难点
大模型结构化输出的常用方案及对比
1、前沿框架：vLLM 与 XGrammar
大模型结构化输出的案例应用
大模型结构化输出的简介
大模型结构化输出（Structured Output）指的是通过对生成流程施加格式或语法约束，使得模型输出严格符合预定义的数据结构，如 JSON、表格、XML 或特定的上下文无关文法（CFG）等。这种能力对于下游系统自动化处理至关重要，例如将生成结果直接作为 API 调用参数、数据库写入或前端可视化组件的数据源。传统的无约束文本生成往往难以保证字段完整性、格式一致性和可解析性，而结构化输出通过在解码阶段或后处理阶段引入约束条件，实现了对格式的强验证，从而大幅提升了生成内容的可用性和鲁棒性。
基于大模型的结构化输出技术，已从简单的后处理演进到实时约束解码和深度集成的高性能推理框架。vLLM 和 XGrammar 等前沿方案，通过操作系统级别的内存分页技术及编译器式的文法优化，实现了低至微秒级的 Token 掩码控制，兼顾了输出正确性与系统吞吐量。未来，随着更多优化算法和硬件加速的引入，结构化生成将成为大模型落地企业级应用的标配能力。
1、特点与难点
| 可预测与可验证性 | >> 格式一致：输出完全遵循预定模板，字段和层级结构可被程序化解析。 >> 易于校验：通过 JSON Schema、CFG 或正则表达式可对结果进行自动校验，及时发现缺失或非法字段。 |
| 高定制化与可扩展性 | >> 支持深度嵌套结构，能够描述复杂对象； >> 可根据业务需求灵活定义词汇约束、逻辑约束、长度约束等。 |
| 性能与稳定性挑战 | >> Token 浪费：后处理方式需等待模型完整生成，常因格式错误而产生冗余 token，浪费计算资源； >> 字段缺失／格式错乱：模型在长上下文或复杂结构场景下易偏离模板，导致关键字段丢失或额外内容； >> 解码延迟：约束性解码（Constrained Decoding）在每步需要执行词汇表过滤或状态检查，增加了 per-token 的计算开销； >> 上下文依赖性：当前 Token 命中是否有效可能依赖整个解码栈状态，尤其在 CFG 场景下，需对每个候选 Token 执行复杂的状态转移检查，吞吐量受限。 |
大模型结构化输出的常用方案及对比
以下方案各有侧重，常在实际系统中组合使用：
| 方案 | 原理 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 后处理修正 | 完成生成后用正则/小模型抽取或纠错 | 实现简单，无需改动模型；兼容所有场景 | 高 Token 浪费；字段缺失率高；解析复杂度大 |
| 约束性解码（Trie/正则/CFG） | 在解码时动态屏蔽不合法 Token，将其概率置零 | 实时保障格式正确；支持词汇、格式、逻辑、长度多种约束 | 增加每步解码延迟；复杂语法实现难度高；依赖高性能推理框架 |
| vLLM Guided Decoding | 基于 vLLM 框架原生支持 guided_choice/regex/json/grammar 后端 | 无需改动模型，吞吐量远超主流库（比 HF Transformers 高 24×；比 TGI 高 3.5×）blog.vllm.ai | 长上下文下格式稳定性有待加强；后端依赖多，需安装对应库 |
| XGrammar | 将词表分为“上下文无关”与“上下文相关”标记，利用自适应掩码缓存和持久化栈实现近零开销 CFG 约束 | 对 JSON/JSON Schema 结构化生成，per-token 延迟低至 35µs；集成 Llama-3.1 端到端加速达 80× | 仅支持上下文无关文法；不适合需运行时逻辑判断的场景；需额外集成引擎 |
1、前沿框架：vLLM 与 XGrammar
vLLM 是由伯克利大学提出的高效 LLM 推理引擎，其核心 PagedAttention 能将 Key-Value 缓存分块管理，内存浪费低于 4%，因此可实现批处理时高达 24× 的吞吐提升。在此基础上，vLLM 原生支持 guided_choice、guided_regex、guided_json、guided_grammar 多种引导式解码后端，使用 "auto" 模式可根据输入动态选择最佳引擎，极大简化了集成工作。
XGrammar 专注于 Context-Free Grammar 约束，提出自适应掩码缓存（Adaptive Token Mask Cache）和持久化执行栈（Persistent Execution Stack），将大部分标记预先分类并缓存，运行时仅需处理不足 1% 的上下文相关标记，实现近零延迟的结构化生成。在 H100 GPU 上，集成 XGrammar 的 Llama-3.1 推理引擎端到端加速高达 80×，per-token 掩码延迟仅 35.73µs，对于大批量、高速率的生成场景极为契合。
大模型结构化输出的案例应用
| 场景 | 方案 | 效果 |
|---|---|---|
| 商业登记证信息抽取 | XGrammar 针对 JSON Schema 的约束解码 | 相较原生 3B-VL 模型准确率提升近 20%，接近 Qwen-2.5VL-7B 并超越 gpt4o-mini |
| NL2SQL 查询生成 | vLLM 的 guided_grammar 定义简化 SQL 的 EBNF 语法 | 输出 SQL 语句 100% 符合自定义语法，无需二次校验，可直接执行 |
| OCR 文本校正与关键信息恢复 | guided_regex 强制关键字段正则模式 + 后处理修正 | 核心字段恢复率提升 30%以上，大幅减少人工校对成本 |
| 大规模聊天机器人服务 | FastChat-vLLM 集成 vLLM 推理并使用 guided_json 输出对话元信息 | 峰值吞吐比 HF Transformers 高 30×，GPU 数量减少 50%，日均请求量超 3 万，峰值达 6 万 |