深入剖析Python的爬蟲架構Scrapy的結構與運作流程

網路爬蟲（Web Crawler, Spider）就是一個在網路上亂爬的機器人。當然它通常並不是一個實體的機器人，因為網路本身也是虛擬東西，所以這個“機器人”其實也就是一段程式，並且它也不是亂爬，而是有一定目的的，並且在爬行的時候會搜集一些資訊。例如 Google 就有一大堆爬蟲會在 Internet 上搜集網頁內容以及它們之間的連結等資訊；又比如一些別有用心的爬蟲會在 Internet 上搜集諸如 foo@bar.com 或者 foo [at] bar [dot] com 之類的東西。除此之外，還有一些定製的爬蟲，專門針對某一個網站，例如前一陣子 JavaEye 的 Robbin 就寫了幾篇專門對付惡意爬蟲的 blog （原文連結似乎已經失效了，就不給了），還有諸如小眾軟體或者 LinuxToy 這樣的網站也經常被整個網站 crawl 下來，換個名字掛出來。其實爬蟲從基本原理上來講很簡單，只要能訪問網路和分析 Web 頁面即可，現在大部分語言都有方便的 Http 用戶端庫可以抓取 Web 頁面，而 HTML 的分析最簡單的可以直接用Regex來做，因此要做一個最簡陋的網路爬蟲實際上是一件很簡單的事情。不過要實現一個高品質的 spider 卻是非常難的。

爬蟲的兩部分，一是下載 Web 頁面，有許多問題需要考慮，如何最大程度地利用本地頻寬，如何調度針對不同網站的 Web 請求以減輕對方伺服器的負擔等。一個高效能的 Web Crawler 系統裡，DNS 查詢也會成為急需最佳化的瓶頸，另外，還有一些“行規”需要遵循（例如 robots.txt）。而擷取了網頁之後的分析過程也是非常複雜的，Internet 上的東西千奇百怪，各種錯誤百出的 HTML 頁面都有，要想全部分析清楚幾乎是不可能的事；另外，隨著 AJAX 的流行，如何擷取由 Javascript 動態產生的內容成了一大難題；除此之外，Internet 上還有有各種有意或無意出現的 Spider Trap ，如果盲目的跟蹤超連結的話，就會陷入 Trap 中萬劫不複了，例如這個網站，據說是之前 Google 宣稱 Internet 上的 Unique URL 數目已經達到了 1 trillion 個，因此這個人 is proud to announce the second trillion 。 :D

不過，其實並沒有多少人需要做像 Google 那樣通用的 Crawler ，通常我們做一個 Crawler 就是為了去爬特定的某個或者某一類網站，所謂知己知彼，百戰不殆，我們可以事先對需要爬的網站結構做一些分析，事情就變得容易多了。通過分析，選出有價值的連結進行跟蹤，就可以避免很多不必要的連結或者 Spider Trap ，如果網站的結構允許選擇一個合適的路徑的話，我們可以按照一定順序把感興趣的東西爬一遍，這樣以來，連 URL 重複的判斷也可以省去。

舉個例子，假如我們想把 pongba 的 blog mindhacks.cn 裡面的 blog 文字爬下來，通過觀察，很容易發現我們對其中的兩種頁面感興趣：

文章列表頁面，例如首頁，或者 URL 是 /page/\d+/ 這樣的頁面，通過 Firebug 可以看到到每篇文章的連結都是在一個 h1 下的 a 標籤裡的（需要注意的是，在 Firebug 的 HTML 面板裡看到的 HTML 程式碼和 View Source 所看到的也許會有些出入，如果網頁中有 Javascript 動態修改 DOM 樹的話，前者是被修改過的版本，並且經過 Firebug 規則化的，例如 attribute 都有引號擴起來等，而後者通常才是你的 spider 爬到的原始內容。如果是使用Regex對頁面進行分析或者所用的 HTML Parser 和 Firefox 的有些出入的話，需要特別注意），另外，在一個 class 為 wp-pagenavi 的 p 裡有到不同列表頁面的連結。
文章內容頁面，每篇 blog 有這樣一個頁面，例如 /2008/09/11/machine-learning-and-ai-resources/ ，包含了完整的文章內容，這是我們感興趣的內容。
因此，我們從首頁開始，通過 wp-pagenavi 裡的連結來得到其他的文章列表頁面，特別地，我們定義一個路徑：只 follow Next Page 的連結，這樣就可以從頭到尾按順序走一遍，免去了需要判斷重複抓取的煩惱。另外，文章列表頁面的那些到具體文章的連結所對應的頁面就是我們真正要儲存的資料頁面了。

這樣以來，其實用指令碼語言寫一個 ad hoc 的 Crawler 來完成這個任務也並不難，不過今天的主角是 Scrapy ，這是一個用 Python 寫的 Crawler Framework ，簡單輕巧，並且非常方便，並且官網上說已經在實際生產中在使用了，因此並不是一個玩具層級的東西。不過現在還沒有 Release 版本，可以直接使用他們的 Mercurial 倉庫裡抓取源碼進行安裝。不過，這個東西也可以不安裝直接使用，這樣還方便隨時更新，文檔裡說得很詳細，我就不重複了。

Scrapy 使用 Twisted 這個非同步網路程式庫來處理網路通訊，架構清晰，並且包含了各種中介軟體介面，可以靈活的完成各種需求。整體架構如所示：

綠線是資料流向，首先從初始 URL 開始，Scheduler 會將其交給 Downloader 進行下載，下載之後會交給 Spider 進行分析，Spider 分析出來的結果有兩種：一種是需要進一步抓取的連結，例如之前分析的“下一頁”的連結，這些東西會被傳回 Scheduler ；另一種是需要儲存的資料，它們則被送到 Item Pipeline 那裡，那是對資料進行後期處理（詳細分析、過濾、儲存等）的地方。另外，在資料流動的通道裡還可以安裝各種中介軟體，進行必要的處理。

具體的內容在最後的附屬中還會介紹。

看起來好像很複雜，其實用起來很簡單，就如同 Rails 一樣，首先建立一個工程：

scrapy-admin.py startproject blog_crawl

會建立一個 blog_crawl 目錄，裡面有個 scrapy-ctl.py 是整個項目的控制指令碼，而代碼全都放在子目錄 blog_crawl 裡面。為了能抓取 mindhacks.cn ，我們在 spiders 目錄裡建立一個mindhacks_spider.py ，定義我們的 Spider 如下：

from scrapy.spider import BaseSpider class MindhacksSpider(BaseSpider):  domain_name = "mindhacks.cn"  start_urls = ["http://mindhacks.cn/"]   def parse(self, response):    return [] SPIDER = MindhacksSpider()

我們的 MindhacksSpider 繼承自 BaseSpider （通常直接繼承自功能更豐富的 scrapy.contrib.spiders.CrawlSpider 要方便一些，不過為了展示資料是如何 parse 的，這裡還是使用 BaseSpider 了），變數 domain_name 和 start_urls 都很容易明白是什麼意思，而 parse 方法是我們需要定義的回呼函數，預設的 request 得到 response 之後會調用這個回呼函數，我們需要在這裡對頁面進行解析，返回兩種結果（需要進一步 crawl 的連結和需要儲存的資料），讓我感覺有些奇怪的是，它的介面定義裡這兩種結果竟然是混雜在一個 list 裡返回的，不太清楚這裡為何這樣設計，難道最後不還是要費力把它們分開？總之這裡我們先寫一個空函數，只返回一個空列表。另外，定義一個“全域”變數 SPIDER ，它會在 Scrapy 匯入這個 module 的時候執行個體化，並自動被 Scrapy 的引擎找到。這樣就可以先運行一下 crawler 試試了：

./scrapy-ctl.py crawl mindhacks.cn

會有一堆輸出，可以看到抓取了 http://mindhacks.cn ，因為這是初始 URL ，但是由於我們在 parse 函數裡沒有返回需要進一步抓取的 URL ，因此整個 crawl 過程只抓取了首頁便結束了。接下來便是要對頁面進行分析，Scrapy 提供了一個很方便的 Shell （需要 IPython ）可以讓我們做實驗，用如下命令啟動 Shell ：

./scrapy-ctl.py shell http://mindhacks.cn

它會啟動 crawler ，把命令列指定的這個頁面抓取下來，然後進入 shell ，根據提示，我們有許多現成的變數可以用，其中一個就是 hxs ，它是一個 HtmlXPathSelector ，mindhacks 的 HTML 頁面比較規範，可以很方便的直接用 XPath 進行分析。通過 Firebug 可以看到，到每篇 blog 文章的連結都是在 h1 下的，因此在 Shell 中使用這樣的 XPath 運算式測試：

In [1]: hxs.x('//h1/a/@href').extract()Out[1]: [u'http://mindhacks.cn/2009/07/06/why-you-should-do-it-yourself/', u'http://mindhacks.cn/2009/05/17/seven-years-in-nju/', u'http://mindhacks.cn/2009/03/28/effective-learning-and-memorization/', u'http://mindhacks.cn/2009/03/15/preconception-explained/', u'http://mindhacks.cn/2009/03/09/first-principles-of-programming/', u'http://mindhacks.cn/2009/02/15/why-you-should-start-blogging-now/', u'http://mindhacks.cn/2009/02/09/writing-is-better-thinking/', u'http://mindhacks.cn/2009/02/07/better-explained-conflicts-in-intimate-relationship/', u'http://mindhacks.cn/2009/02/07/independence-day/', u'http://mindhacks.cn/2009/01/18/escape-from-your-shawshank-part1/']

這正是我們需要的 URL ，另外，還可以找到“下一頁”的連結所在，連同其他幾個頁面的連結一同在一個 p 裡，不過“下一頁”的連結沒有 title 屬性，因此 XPath 寫作

//p[@class="wp-pagenavi"]/a[not(@title)]

不過如果向後翻一頁的話，會發現其實“上一頁”也是這樣的，因此還需要判斷該連結上的文字是那個下一頁的箭頭 u'\xbb' ，本來也可以寫到 XPath 裡面去，但是好像這個本身是 unicode escape 字元，由於編碼原因理不清楚，直接放到外面判斷了，最終 parse 函數如下：

def parse(self, response):  items = []  hxs = HtmlXPathSelector(response)  posts = hxs.x('//h1/a/@href').extract()  items.extend([self.make_requests_from_url(url).replace(callback=self.parse_post)         for url in posts])   page_links = hxs.x('//p[@class="wp-pagenavi"]/a[not(@title)]')  for link in page_links:    if link.x('text()').extract()[0] == u'\xbb':      url = link.x('@href').extract()[0]      items.append(self.make_requests_from_url(url))   return items

前半部分是解析需要抓取的 blog 本文的連結，後半部分則是給出“下一頁”的連結。需要注意的是，這裡返回的列表裡並不是一個個的字串格式的 URL 就完了，Scrapy 希望得到的是 Request 對象，這比一個字串格式的 URL 能攜帶更多的東西，諸如 Cookie 或者回呼函數之類的。可以看到我們在建立 blog 本文的 Request 的時候替換掉了回呼函數，因為預設的這個回呼函數 parse 是專門用來解析文章列表這樣的頁面的，而 parse_post 定義如下：

def parse_post(self, response):  item = BlogCrawlItem()  item.url = unicode(response.url)  item.raw = response.body_as_unicode()  return [item]

很簡單，返回一個 BlogCrawlItem ，把抓到的資料放在裡面，本來可以在這裡做一點解析，例如，通過 XPath 把本文和標題等解析出來，但是我傾向於後面再來做這些事情，例如 Item Pipeline 或者更後面的 Offline 階段。BlogCrawlItem 是 Scrapy 自動幫我們定義好的一個繼承自 ScrapedItem 的空類，在 items.py 中，這裡我加了一點東西：

from scrapy.item import ScrapedItem class BlogCrawlItem(ScrapedItem):  def __init__(self):    ScrapedItem.__init__(self)    self.url = ''   def __str__(self):    return 'BlogCrawlItem(url: %s)' % self.url

定義了 __str__ 函數，只給出 URL ，因為預設的 __str__ 函數會把所有的資料都顯示出來，因此會看到 crawl 的時候控制台 log 狂輸出東西，那是把抓取到的網頁內容輸出出來了。-.-bb

這樣一來，資料就取到了，最後只剩下儲存資料的功能，我們通過添加一個 Pipeline 來實現，由於 Python 在標準庫裡內建了 Sqlite3 的支援，所以我使用 Sqlite 資料庫來儲存資料。用如下代碼替換 pipelines.py 的內容：

import sqlite3from os import path from scrapy.core import signalsfrom scrapy.xlib.pydispatch import dispatcher class SQLiteStorePipeline(object):  filename = 'data.sqlite'   def __init__(self):    self.conn = None    dispatcher.connect(self.initialize, signals.engine_started)    dispatcher.connect(self.finalize, signals.engine_stopped)   def process_item(self, domain, item):    self.conn.execute('insert into blog values(?,?,?)',              (item.url, item.raw, unicode(domain)))    return item   def initialize(self):    if path.exists(self.filename):      self.conn = sqlite3.connect(self.filename)    else:      self.conn = self.create_table(self.filename)   def finalize(self):    if self.conn is not None:      self.conn.commit()      self.conn.close()      self.conn = None   def create_table(self, filename):    conn = sqlite3.connect(filename)    conn.execute("""create table blog           (url text primary key, raw text, domain text)""")    conn.commit()    return conn

在 __init__ 函數中，使用 dispatcher 將兩個訊號串連到指定的函數上，分別用於初始化和關閉資料庫連接（在 close 之前記得 commit ，似乎是不會自動 commit 的，直接 close 的話好像所有的資料都丟失了 dd-.-）。當有資料經過 pipeline 的時候，process_item 函數會被調用，在這裡我們直接講未經處理資料儲存到資料庫中，不作任何處理。如果需要的話，可以添加額外的 pipeline ，對資料進行提取、過濾等，這裡就不細說了。

最後，在 settings.py 裡列出我們的 pipeline ：

ITEM_PIPELINES = ['blog_crawl.pipelines.SQLiteStorePipeline']
再跑一下 crawler ，就 OK 啦！

PS1：Scrapy的組件

1.Scrapy Engine（Scrapy引擎）

Scrapy引擎是用來控制整個系統的資料處理流程，並進行交易處理的觸發。更多的詳細內容可以看下面的資料處理流程。

2.Scheduler（發送器）

發送器從Scrapy引擎接受請求並排序列入隊列，並在Scrapy引擎發出請求後返還給它們。

3.Downloader（下載器）

下載器的主要職責是抓取網頁並將網頁內容返還給蜘蛛（Spiders）。

4.Spiders（蜘蛛）

蜘蛛是有Scrapy使用者自己定義用來解析網頁並抓取制定URL返回的內容的類，每個蜘蛛都能處理一個網域名稱或一組網域名稱。換句話說就是用來定義特定網站的抓取和解析規則。

5.Item Pipeline（項目管道）

項目管道的主要責任是負責處理有蜘蛛從網頁中抽取的項目，它的主要任務是清晰、驗證和儲存資料。當頁面被蜘蛛解析後，將被發送到項目管道，並經過幾個特定的次序處理資料。每個項目管道的組件都是有一個簡單的方法組成的Python類。它們擷取了項目並執行它們的方法，同時還需要確定的是是否需要在項目管道中繼續執行下一步或是直接丟棄掉不處理。

項目管道通常執行的過程有：

清洗HTML資料 驗證解析到的資料（檢查項目是否包含必要的欄位） 檢查是否是重複資料（如果重複就刪除） 將解析到的資料存放區到資料庫中

6.Middlewares（中介軟體）

中介軟體是介於Scrapy引擎和其他組件之間的一個鉤子架構，主要是為了提供一個自訂的代碼來拓展Scrapy的功能。

PS2：Scrapy的資料處理流程

Scrapy的整個資料處理流程有Scrapy引擎進行控制，其主要的運行方式為：

引擎開啟一個網域名稱，時蜘蛛處理這個網域名稱，並讓蜘蛛擷取第一個爬取的URL。
引擎從蜘蛛那擷取第一個需要爬取的URL，然後作為請求在調度中進行調度。
引擎從調度那擷取接下來進行爬取的頁面。
調度將下一個爬取的URL返回給引擎，引擎將它們通過下載中介軟體發送到下載器。
當網頁被下載器下載完成以後，響應內容通過下載中介軟體被發送到引擎。
引擎收到下載器的響應並將它通過蜘蛛中介軟體發送到蜘蛛進行處理。
蜘蛛處理響應並返回爬取到的項目，然後給引擎發送新的請求。
引擎將抓取到的項目項目管道，並向調度發送請求。
系統重複第二部後面的操作，直到調度中沒有請求，然後斷開引擎與域之間的聯絡。

以上就是深入剖析Python的爬蟲架構Scrapy的結構與運作流程的內容，更多相關內容請關注topic.alibabacloud.com（www.php.cn）！

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