结构化输出（Structured Outputs）

定义

结构化输出指 LLM 的生成结果被强制约束为符合预定义 schema 的格式（通常是 JSON Schema）。区别于 JSON mode（只保证合法 JSON）或 prompt 工程（依赖模型自觉），结构化输出通过推理阶段的硬性机制保证格式合规。

OpenAI 于 2024 年 8 月将其标准化为 API 功能，底层使用约束解码技术实现。

两种形式

1. 工具调用中的严格模式（Function calling with strict: true）

在 tools 定义中设置 strict: true，模型输出的 function call 参数将严格符合 parameters 中的 schema。

2. 响应格式约束（response_format: json_schema）

"response_format": {
  "type": "json_schema",
  "json_schema": {
    "name": "math_response",
    "strict": true,
    "schema": { ... }
  }
}

适用于任意生成场景，不限于工具调用。

技术机制

底层依赖约束解码：

1. Schema → CFG：将 JSON Schema 编译为上下文无关文法
2. 预处理 + 缓存：首次请求时预处理 schema，生成采样所需的制品（artifact）并缓存
3. Token Masking：每步采样后，根据当前已生成 token 和 CFG 规则，将非法 next token 的概率 mask 为 0
4. 动态约束：合法 token 集随生成状态动态变化（{"val 已生成后，{ 不再合法）

与 JSON mode 的区别

	JSON mode	Structured Outputs
保证	合法 JSON	符合 schema 的 JSON
机制	提示 + 一定程度的软约束	推理时 token masking
错误率	~11.97%	<0.1%（evals 实测 0%）
递归 schema	无法保证	支持（CFG 天然处理递归）

局限性

• 仅支持 JSON Schema 子集（非全集）
• 首次请求有延迟（schema 预处理，通常 <10 秒，复杂 schema 可达 1 分钟）
• 安全拒绝（refusal）情形下 schema 约束失效，返回 refusal 字段
• 不防范值层面的语义错误（如数学计算步骤错误）
• 与并行 function calling 不兼容

隐性代价：轨迹偏差

Schall & de Melo（RANLP 2025）在 11 个模型的跨基准实验中发现：即使结构化输出在句法层面完全合规，约束机制也会系统性地损害语义正确性。这一现象被命名为**轨迹偏差**。

核心机制：约束解码在每步 token 采样时掩码非法 token 并重归一化，当合法 token 集合的初始概率极低时，重归一化变成大扰动。跨多步累积后，解码路径被推离语义最优方向，推向”更容易保持结构合法”的分支——即使这些分支对应错误答案。

这意味着：格式合规率不是结构化输出质量的充分评估指标。产品和研究中均应同时监测任务语义正确率。

与符号主义/联结主义的交汇

结构化输出是符号规则约束神经生成的经典范例：

• 联结主义：神经网络在 token 概率分布上预测
• 符号主义：形式文法规则明确限定合法序列

两者在推理时合流：模型的”直觉”（概率）在符号规则的”理性”（文法）框架内运作。这是 ch-07 符号主义 vs 联结主义章节的核心机制案例。

参考开源先驱：outlines、jsonformer、instructor、guidance、lark

相关概念

• 约束解码 — 底层技术机制
• 轨迹偏差 — 约束解码引发的语义代价
• 上下文无关文法（LLM 应用） — schema 的形式化表示
• ACI — 结构化输出是机器可验证的接口契约
• Tool design — schema 即工具参数的 formal specification
• Guardrails — 结构化输出是输出侧的格式 guardrail

Anthropic 的实现视角

Anthropic 文档（2024 年持续更新）从工程实践角度补充了几个 OpenAI 文档未详述的细节：

API 参数设计（Anthropic 特有）：

"output_config": {
  "format": {
    "type": "json_schema",
    "schema": { ... }
  }
}

与 OpenAI 的 response_format 等效，但参数命名不同。功能上，Anthropic 同样区分：① JSON outputs（output_config.format）控制响应格式，② Strict tool use（strict: true）验证工具参数。

文法缓存的精细化规则：

Anthropic 明确：只改 name 或 description 字段不触发文法缓存失效；改变 schema 结构（新增/删除字段、修改类型）才会触发重新编译。这对降低反复迭代的延迟成本有直接意义。

可选参数是 grammar 复杂度的核心驱动：

“Each optional parameter roughly doubles a portion of the grammar’s state space.”

这是对约束解码复杂度的精确建模——必填参数在 grammar 中有唯一路径，每个可选参数引入分支。实践建议：尽量将参数设为 required。

文法作用域与 Extended Thinking：

文法约束只作用于 Claude 的直接输出，不影响 thinking 标签。文法状态在各区段间重置——Claude 可以在思考阶段自由使用自然语言，最终响应再受 schema 约束。这是对轨迹偏差的工程级缓解：推理自由区间保留后，最终格式化输出。

SDK 自动降级变换：

Python/TypeScript/Ruby/PHP SDK 会自动将不支持的约束（minimum/maximum/minLength/maxLength）转为字段描述文字，在客户端用原始约束验证响应。接口降级兼容策略：向 API 发送简化 schema，本地恢复完整验证。

References

• sources/openai_official/introducing-structured-outputs-in-the-api.md
• sources/anthropic_official/structured-outputs.md
• Schall, Maximilian and de Melo, Gerard. “The Hidden Cost of Structure.” RANLP 2025, pp. 1074–1084. sources/ranlp-2025-hidden-cost-constrained-decoding.md