那些年，我爬过的北科(四)——爬虫进阶之极简并行爬虫框架开发

2018-12-05 12:15:40

写在前面

在看过目录之后，读者可能会问为什么这个教程没有讲一个框架，比如说scrapy或者pyspider。在这里，我认为理解爬虫的原理更加重要，而不是学习一个框架。爬虫说到底就是HTTP请求，与语言无关，与框架也无关。

在本节，我们将用26行代码开发一个简单的并发的（甚至分布式的）爬虫框架。

爬虫的模块

首先，我们先来说一下爬虫的几个模块。

任务产生器——Producer

定义任务，如：爬取什么页面？怎么解析

下载器——Downloader

下载器，接受任务产生器的任务，下载完成后给解析器进行解析。主要是I/O操作，受限于网速。

解析器——Parser

解析器，将下载器下载的内容进行解析，传给输出管道。主要是CPU操作，受限于下载器的下载速度。

输出管道——Pipeline

如何展示爬取的数据，如之前我们一直都在用print，其实也就是一个ConsolePipeline。当然你也可以定义FilePipeline、MysqlPipeline、Sqlite3Pipeline等等。

ConsolePipeline: 把想要的内容直接输出到控制台。
FilePipeline: 把想要的内容输出到文件里保存，比如保存一个json文件。
MongoDBPipeline: 把想要的内容存入MongoDB数据库中。
等等……

爬虫框架的结构

上面的四个模块也就构成了四个部分。

1 . 首先，会有个初始的任务产生器产生下载任务。
2 . 下载器不断从任务队列中取出任务，下载完任务后，放到网页池中。
3 . 不同的解析器取出网页进行解析，传给对应的输出管道。期间，解析器也会产生新的下载任务，放入到任务队列中。
4 . 输出管道对解析的结果进行存储、显示。

简易的爬虫框架的架构

其实，我们也可以把爬虫不要分的那么细，下载+解析+输出其实都可以归类为一个Worker。

就像下面一样，首先初始的任务产生器会产生一个下载任务，然后系统为下载任务创建几个Worker，Worker对任务进行下载解析输出，同时根据解析的一些链接产生新下载的任务放入任务队列。如此循环，直到没有任务。

进程间通信

下面，我们说一下进程间通信。

这里我们举一个生产者消费者的例子。假设有两个进程，一个叫生产者，一个叫做消费者。生产者只负责生产一些任务，并把任务放到一个池子里面（任务队列），消费者从任务队列中拿到任务，并对完成任务（把任务消费掉）。

我们这里的任务队列使用multiprocessing的Queue，它可以保证多进程间操作的安全。

from multiprocessing import Process, Queue
import time


def produce(q):  # 生产
    for i in range(10):
        print('Put %d to queue...' % value)
        q.put(i)
        time.sleep(1)


def consume(q):  # 消费
    while True:
        if not q.empty():
            value = q.get(True)
            print('Consumer 1, Get %s from queue.' % value)


if __name__ == '__main__':
    q = Queue()
    producer = Process(target=produce, args=(q,))
    consumer = Process(target=consume, args=(q,))
    producer.start()
    consumer.start()

    producer.join()  # 等待结束, 死循环使用Ctrl+C退出
    consumer.join()

当然，也可以尝试有多个生产者，多个消费者。下面创建了两个生产者和消费者。

from multiprocessing import Process, Queue
import time


def produce(q):  # 生产
    for i in range(10000):
        if i % 2 == 0:
            print("Produce ", i)
            q.put(i)
            time.sleep(1)


def produce2(q):  # 生产
    for i in range(10000):
        if i % 2 == 1:
            print "Produce ", i
            q.put(i)
            time.sleep(1)


def consume(q):  # 消费
    while True:
        if not q.empty():
            value = q.get(True)
            print 'Consumer 1, Get %s from queue.' % value


def consume2(q):  # 消费
    while True:
        if not q.empty():
            value = q.get(True)
            print 'Consumer 2, Get %s from queue.' % value


if __name__ == '__main__':
    q = Queue(5)   # 队列最多放5个任务, 超过5个则会阻塞住
    producer = Process(target=produce, args=(q,))
    producer2 = Process(target=produce2, args=(q,))
    consumer = Process(target=consume, args=(q,))
    consumer2 = Process(target=consume2, args=(q,))

    producer.start()
    producer2.start()
    consumer.start()
    consumer2.start()

    producer.join()  # 等待结束, 死循环使用Ctrl+C退出
    producer2.join()
    consumer.join()
    consumer2.join()

这里生产者生产的时间是每秒钟两个，消费者消费时间几乎可以忽略不计，属于“狼多肉少”系列。运行后，可以看到控制台每秒都输出两行。Consumer1和Consumer2的争抢十分激烈。

考虑一下“肉多狼少”的情形，代码如下：

from multiprocessing import Process, Queue
import time


def produce(q):  # 生产
    for i in range(10000):
        print("Produce ", i)
        q.put(i)


def consume(q):  # 消费
    while True:
        if not q.empty():
            value = q.get(True)
            print('Consumer 1, Get %s from queue.' % value)
            time.sleep(1)


def consume2(q):  # 消费
    while True:
        if not q.empty():
            value = q.get(True)
            print('Consumer 2, Get %s from queue.' % value)
            time.sleep(1)


if __name__ == '__main__':
    q = Queue(5)    # 队列最多放5个数据, 超过5个则会阻塞住
    producer = Process(target=produce, args=(q,))
    consumer = Process(target=consume, args=(q,))
    consumer2 = Process(target=consume2, args=(q,))

    producer.start()
    consumer.start()
    consumer2.start()

    producer.join()  # 等待结束, 死循环使用Ctrl+C退出
    consumer.join()
    consumer2.join()

这里生产者不停的生产，直到把任务队列塞满。而两个消费者每秒钟消费一个，每当有任务被消费掉，生产者又会立马生产出新的任务，把任务队列塞满。

上面的说明，系统整体的运行速度其实受限于速度最慢的那个。像我们爬虫，最耗时的操作就是下载，整体的爬取速度也就受限于网速。

以上的生产和消费者类似爬虫中的Producer和Worker。Producer扮演生产者，生成下载任务，放入任务队列中；Worker扮演消费者，拿到下载任务后，对某个网页进行下载、解析、数据；在此同时，Worker也会扮演生产者，根据解析到的链接生成新的下载任务，并放到任务队列中交给其他的Worker执行。

DIY并发框架

下面我们来看看我们自己的并发爬虫框架，这个爬虫框架的代码很短，只有26行，除去空行的话只有21行代码。

from multiprocessing import Manager, Pool


class SimpleCrawler:
    def __init__(self, c_num):
        self.task_queue = Manager().Queue()  # 任务队列
        self.workers = {}                    # Worker, 字典类型, 存放不同的Worker
        self.c_num = c_num                   # 并发数,开几个进程

    def add_task(self, task):
        self.task_queue.put(task)

    def add_worker(self, identifier, worker):
        self.workers[identifier] = worker

    def start(self):
        pool = Pool(self.c_num)
        while True:
            task = self.task_queue.get(True)
            if task['id'] == "NO":  # 结束爬虫
                pool.close()
                pool.join()
                exit(0)
            else:  # 给worker完成任务
                worker = self.workers[task['id']]
                pool.apply_async(worker, args=(self.task_queue, task))

这个类中一共就有四个方法：构造方法、添加初始任务方法、设置worker方法、开始爬取方法。

__init__方法：

在构造方法中，我们创建了一个任务队列，（这里注意使用了Manager.Queue()，因为后面我们要用到进程池，所以要用Manager类），workers字典，以及并发数配置。

1	crawler = SimpleCrawler(5) # 并发数为5

add_task方法：

负责添加初始任务方法，task的形式为一个字典。有id、url等字段。id负责分配给不同的worker。如下：

crawler.add_task({
    "id": "worker",
    "url": "http://nladuo.cn/scce_site/",
    "page": 1
})

add_worker方法：

负责配置worker，以id作为键存放在workers变量中，其中worker可以定义为一个抽象类或者一个函数。这里为了简单起见，我们直接弄一个函数。

def worker(queue, task):
    url = task["url"]
    resp = requests.get(url)
    # ......，爬取解析网页
    queue.put(new_task) # 可能还会添加新的task
    # ......

crawler.add_worker("worker", worker)

start方法：

start方法就是启动爬虫，这里看上面的代码，创建了一个进程池用来实现并发。然后不断的从queue中取出任务，根据任务的id分配给对应id的worker。我们这里规定当id为“NO”时，我们则停止爬虫。

1	crawler.start()

爬取两级页面

下面，我们来使用这个简单的爬虫框架，来实现一个两级页面的爬虫。

首先看第一级页面：http://nladuo.cn/scce_site/。其实就是之前的新闻列表页。我们可以爬到新闻的标题，以及该标题对应的网页链接。

第二级页面是：http://nladuo.cn/scce_site/article/2601.html，也就是新闻的详情页，这里可以获取到新闻的内容以及点击数目等。

下面我们创建两个worker，一个负责爬取列表页面，一个负责爬取新闻详情页。

def worker(queue, task):
    """ 爬取新闻列表页 """
    pass


def detail_worker(queue, task):
    """ 爬取新闻详情页 """
    pass

主代码

对于main代码，这里首先需要创建一个crawler。然后添加两个worker，id分别为“worker”和“detail_worker”。然后添加一个初始的任务，也就是爬取新闻列表页的首页。

if __name__ == '__main__':
    crawler = SimpleCrawler(5)
    crawler.add_worker("worker", worker)
    crawler.add_worker("detail_worker", detail_worker)
    crawler.add_task({
        "id": "worker",
        "url": "http://nladuo.cn/scce_site/",
        "page": 1
    })
    crawler.start()

worker代码编写

接下来，完成我们的worker代码，worker接受两个参数：queue和task。

queue: 用于解析网页后，添加新的任务
task: 要完成的任务

然后worker①首先下载网页，②其次解析网页，③再根据解析的列表进一步需要爬取详情页，所以要添加爬取详情页的任务；④最后判断当前是不是最后一页，如果是就发送退出信号，否则添加下一页的新闻列表爬取任务。

def worker(queue, task):
    """ 爬取新闻列表页 """
    # 下载任务
    url = task["url"] + "%d.html" % task["page"]
    print("downloading:", url)
    resp = requests.get(url)

    # 解析网页
    soup = BeautifulSoup(resp.content, "html.parser")
    items = soup.find_all("div", {"class", "list_title"})

    for index, item in enumerate(items):
        detail_url = "http://nladuo.cn/scce_site/" + item.a['href']
        print("adding:", detail_url)
        # 添加新任务: 爬取详情页
        queue.put({
            "id": "detail_worker",
            "url": detail_url,
            "page": task["page"],
            "index": index,
            "title": item.get_text().replace("\n", "")
        })

    if task["page"] == 10:  # 添加结束信号
        queue.put({"id": "NO"})
    else:
        # 添加新任务: 爬取下一页
        queue.put({
            "id": "worker",
            "url": "http://nladuo.cn/scce_site/",
            "page": task["page"]+1
        })

detail_worker代码编写

detail_worker的任务比较简单，只要下载任务，然后解析网页并打印即可。这里为了让屏幕输出没那么乱，我们只获取点击数。

def detail_worker(queue, task):
    """ 爬取新闻详情页 """
    # 下载任务
    print("downloading:", task['url'])
    resp = requests.get(task['url'])
    # 解析网页
    soup = BeautifulSoup(resp.content, "html.parser")
    click_num = soup.find("div", {"class", "artNum"}).get_text()
    print(task["page"], task["index"], task['title'], click_num)

思考

到这里，我们就用我们自己开发的框架实现了一个多级页面的爬虫。读者可以考虑一下以下的问题。

如何实现爬虫的自动结束？考虑监控队列的情况和worker的状态。
如何实现一个分布式爬虫？考虑使用分布式队列：celery

2018-12-05 12:15:40