分散式爬蟲原理之分散式爬蟲原理

崔慶才丨靜覓發表於2018-05-25
分散式爬蟲

我們在前面已經實現了Scrapy微博爬蟲，雖然爬蟲是非同步加多執行緒的，但是我們只能在一臺主機上執行，所以爬取效率還是有限的，分散式爬蟲則是將多臺主機組合起來，共同完成一個爬取任務，這將大大提高爬取的效率。

一、分散式爬蟲架構

在瞭解分散式爬蟲架構之前，首先回顧一下Scrapy的架構，如下圖所示。

分散式爬蟲原理之分散式爬蟲原理

Scrapy單機爬蟲中有一個本地爬取佇列Queue，這個佇列是利用deque模組實現的。如果新的Request生成就會放到佇列裡面，隨後Request被Scheduler排程。之後，Request交給Downloader執行爬取，簡單的排程架構如下圖所示。

分散式爬蟲原理之分散式爬蟲原理

如果兩個Scheduler同時從佇列裡面取Request，每個Scheduler都有其對應的Downloader，那麼在頻寬足夠、正常爬取且不考慮佇列存取壓力的情況下，爬取效率會有什麼變化？沒錯，爬取效率會翻倍。

這樣，Scheduler可以擴充套件多個，Downloader也可以擴充套件多個。而爬取佇列Queue必須始終為一個，也就是所謂的共享爬取佇列。這樣才能保證Scheduer從佇列裡排程某個Request之後，其他Scheduler不會重複排程此Request，就可以做到多個Schduler同步爬取。這就是分散式爬蟲的基本雛形，簡單排程架構如下圖所示。

分散式爬蟲原理之分散式爬蟲原理

我們需要做的就是在多臺主機上同時執行爬蟲任務協同爬取，而協同爬取的前提就是共享爬取佇列。這樣各臺主機就不需要各自維護爬取佇列，而是從共享爬取佇列存取Request。但是各臺主機還是有各自的Scheduler和Downloader，所以排程和下載功能分別完成。如果不考慮佇列存取效能消耗，爬取效率還是會成倍提高。

二、維護爬取佇列

那麼這個佇列用什麼來維護？首先需要考慮的就是效能問題。我們自然想到的是基於記憶體儲存的Redis，它支援多種資料結構，例如列表（List）、集合（Set）、有序集合（Sorted Set）等，存取的操作也非常簡單。

Redis支援的這幾種資料結構儲存各有優點。

  • 列表有lpush()、lpop()、rpush()、rpop()方法，我們可以用它來實現先進先出式爬取佇列，也可以實現先進後出棧式爬取佇列。

  • 集合的元素是無序的且不重複的，這樣我們可以非常方便地實現隨機排序且不重複的爬取佇列。

  • 有序集合帶有分數表示，而Scrapy的Request也有優先順序的控制，我們可以用它來實現帶優先順序排程的佇列。

我們需要根據具體爬蟲的需求來靈活選擇不同的佇列。

三、如何去重

Scrapy有自動去重，它的去重使用了Python中的集合。這個集合記錄了Scrapy中每個Request的指紋，這個指紋實際上就是Request的雜湊值。我們可以看看Scrapy的原始碼，如下所示：

import hashlib
def request_fingerprint(request, include_headers=None):
    if include_headers:
        include_headers = tuple(to_bytes(h.lower())
                                 for h in sorted(include_headers))
    cache = _fingerprint_cache.setdefault(request, {})
    if include_headers not in cache:
        fp = hashlib.sha1()
        fp.update(to_bytes(request.method))
        fp.update(to_bytes(canonicalize_url(request.url)))
        fp.update(request.body or b'')
        if include_headers:
            for hdr in include_headers:
                if hdr in request.headers:
                    fp.update(hdr)
                    for v in request.headers.getlist(hdr):
                        fp.update(v)
        cache[include_headers] = fp.hexdigest()
    return cache[include_headers]複製程式碼

request_fingerprint()就是計算Request指紋的方法，其方法內部使用的是hashlib的sha1()方法。計算的欄位包括Request的Method、URL、Body、Headers這幾部分內容，這裡只要有一點不同，那麼計算的結果就不同。計算得到的結果是加密後的字串，也就是指紋。每個Request都有獨有的指紋，指紋就是一個字串，判定字串是否重複比判定Request物件是否重複容易得多，所以指紋可以作為判定Request是否重複的依據。

那麼我們如何判定重複呢？Scrapy是這樣實現的，如下所示：

def __init__(self):
    self.fingerprints = set()

def request_seen(self, request):
    fp = self.request_fingerprint(request)
    if fp in self.fingerprints:
        return True
    self.fingerprints.add(fp)複製程式碼

在去重的類RFPDupeFilter中，有一個request_seen()方法，這個方法有一個引數request，它的作用就是檢測該Request物件是否重複。這個方法呼叫request_fingerprint()獲取該Request的指紋，檢測這個指紋是否存在於fingerprints變數中，而fingerprints是一個集合，集合的元素都是不重複的。如果指紋存在，那麼就返回True，說明該Request是重複的，否則這個指紋加入到集合中。如果下次還有相同的Request傳遞過來，指紋也是相同的，那麼這時指紋就已經存在於集合中，Request物件就會直接判定為重複。這樣去重的目的就實現了。

Scrapy的去重過程就是，利用集合元素的不重複特性來實現Request的去重。

對於分散式爬蟲來說，我們肯定不能再用每個爬蟲各自的集合來去重了。因為這樣還是每個主機單獨維護自己的集合，不能做到共享。多臺主機如果生成了相同的Request，只能各自去重，各個主機之間就無法做到去重了。

那麼要實現去重，這個指紋集合也需要是共享的，Redis正好有集合的儲存資料結構，我們可以利用Redis的集合作為指紋集合，那麼這樣去重集合也是利用Redis共享的。每臺主機新生成Request之後，把該Request的指紋與集合比對，如果指紋已經存在，說明該Request是重複的，否則將Request的指紋加入到這個集合中即可。利用同樣的原理不同的儲存結構我們也實現了分散式Reqeust的去重。

四、防止中斷

在Scrapy中，爬蟲執行時的Request佇列放在記憶體中。爬蟲執行中斷後，這個佇列的空間就被釋放，此佇列就被銷燬了。所以一旦爬蟲執行中斷，爬蟲再次執行就相當於全新的爬取過程。

要做到中斷後繼續爬取，我們可以將佇列中的Request儲存起來，下次爬取直接讀取儲存資料即可獲取上次爬取的佇列。我們在Scrapy中指定一個爬取佇列的儲存路徑即可，這個路徑使用JOB_DIR變數來標識，我們可以用如下命令來實現：

scrapy crawl spider -s JOB_DIR=crawls/spider複製程式碼

更加詳細的使用方法可以參見官方文件，連結為：https://doc.scrapy.org/en/latest/topics/jobs.html。

在Scrapy中，我們實際是把爬取佇列儲存到本地，第二次爬取直接讀取並恢復佇列即可。那麼在分散式架構中我們還用擔心這個問題嗎？不需要。因為爬取佇列本身就是用資料庫儲存的，如果爬蟲中斷了，資料庫中的Request依然是存在的，下次啟動就會接著上次中斷的地方繼續爬取。

所以，當Redis的佇列為空時，爬蟲會重新爬取；當Redis的佇列不為空時，爬蟲便會接著上次中斷之處繼續爬取。

五、架構實現

我們接下來就需要在程式中實現這個架構了。首先實現一個共享的爬取佇列，還要實現去重的功能。另外，重寫一個Scheduer的實現，使之可以從共享的爬取佇列存取Request。

幸運的是，已經有人實現了這些邏輯和架構，併發布成叫Scrapy-Redis的Python包。接下來，我們看看Scrapy-Redis的原始碼實現，以及它的詳細工作原理。


本資源首發於崔慶才的個人部落格靜覓： Python3網路爬蟲開發實戰教程 | 靜覓

如想了解更多爬蟲資訊，請關注我的個人微信公眾號：進擊的Coder

weixin.qq.com/r/5zsjOyvEZ… (二維碼自動識別)


相關文章