2-爬虫框架-网址池的实现

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网址池的实现

对于比较大型的爬虫来说，URL管理的管理是个核心问题，管理不好，就可能重复下载，也可能遗漏下载。这里，我们设计一个URL Pool来管理URL。
这个URL Pool就是一个生产者-消费者模式：

和scrapy的设计是一样的，

1，爬虫从网址池那url去下载解析，

2，爬虫解析的新的url再往网址池里面放，

爬虫  ------ 网址池

他们是双向的，

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网址池必须要具备3个功能

1，可以从池子里面拿出url，去让爬虫下载，

2，可以让爬虫，往这个池子里，添加新的url

3，池子内部，需要管理url的状态，

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那么url的状态应该有几种，

1，已经爬取过的url，这种url就不能再爬了，需要去重， 

2，下载失败多次了，无效的url，这种也不需要再去爬了，

3，正在被下载的url，这种是正在被爬虫的，

4，下载失败了，但是需要再次尝试的，这种就是增加了重试的机制，

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前两个是永久状态，这种就不需要爬虫再管了，但是这种还是要存储起来，因为要做增量爬取，就设计到一个问题就是爬过的url不能再爬了，

所以需要存起来做去重，

比如爬取京东的商品，至少有几千万个url，需要怎么维护，这就是网址池的作用，

现在有一个很明显的问题，就是这一部分url，肯定是越来越大的，怎么存？

存mysql，这种mysql查找速度比较慢，

存redis，这种内存型的数据库，这种就是scrapy-redis这么做的，但是这种对内存的大小要求很高，几亿个url，你存在内存，占据是非常大的，

还有没有其他的方法，

我们这个URL Pool选用LevelDB来作为URL状态的永久存储。

LevelDB是Google开源的一个key-value数据库，速度非常快，同时自动压缩数据。我们用它先来实现一个UrlDB作为永久存储数据库。

 level DB，是谷歌使用c++写的，windows使用会比较麻烦，倒是Linux是非常简单的，

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urlDB的实现

import leveldb

class UrlDB:
    '''Use LevelDB to store URLs what have been done(succeed or faile)
    '''
    status_failure = b'0'
    status_success = b'1'

    def __init__(self, db_name):
        self.name = db_name + '.urldb'
        self.db = leveldb.LevelDB(self.name)

    def set_success(self, url):
        if isinstance(url, str):
            url = url.encode('utf8')
        try:
            self.db.Put(url, self.status_success)
            s = True
        except:
            s = False
        return s

    def set_failure(self, url):
        if isinstance(url, str):
            url = url.encode('utf8')
        try:
            self.db.Put(url, self.status_failure)
            s = True
        except:
            s = False
        return s

    def has(self, url):
        if isinstance(url, str):
            url = url.encode('utf8')
        try:
            attr = self.db.Get(url)
            return attr
        except:
            pass
        return False

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主要是三个方法，

1，判断url是否已经存在了，这种是为了去重，避免重复的url进入这个网址池，

2，设置成功，这种就是爬虫爬完了，告诉网址池，这个爬完了不需要再爬了，

3，设置失败，这种就是爬失败了，为了后续要重试，

操作是很简单的，封装这个，就是为了替换对redis数据库的操作，

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leveldb的使用 ：

linux安装: pip install leveldb

leveldb的使用

里面输入要新建数据库的名字，就会在当前的文件夹下面生成一个以这个名字命名的文件

然后就可以操作了，

注意存入的数据必须都是二进制的，

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urlpool的实现

import pickle
import leveldb
import time
import urllib.parse as urlparse


class UrlPool:
    '''URL Pool for crawler to manage URLs
    '''

    def __init__(self, pool_name):
        self.name = pool_name
        self.db = UrlDB(pool_name)

        self.waiting = {}  # {host: set([urls]), } 按host分组，记录等待下载的URL
        self.pending = {}  # {url: pended_time, } 记录已被取出（self.pop()）但还未被更新状态（正在下载）的URL
        self.failure = {}  # {url: times,} 记录失败的URL的次数
        self.failure_threshold = 3
        self.pending_threshold = 10  # pending的最大时间，过期要重新下载
        self.waiting_count = 0  # self.waiting 字典里面的url的个数
        self.max_hosts = ['', 0]  # [host: url_count] 目前pool中url最多的host及其url数量
        self.hub_pool = {}  # {url: last_query_time, }  存放hub url
        self.hub_refresh_span = 0
        self.load_cache()

    def __del__(self):
        self.dump_cache()

    def load_cache(self,):
        path = self.name + '.pkl'
        try:
            with open(path, 'rb') as f:
                self.waiting = pickle.load(f)
            cc = [len(v) for k, v in self.waiting.items()]
            print('saved pool loaded! urls:', sum(cc))
        except:
            pass

    def dump_cache(self):
        path = self.name + '.pkl'
        try:
            with open(path, 'wb') as f:
                pickle.dump(self.waiting, f)
            print('self.waiting saved!')
        except:
            pass

    def set_hubs(self, urls, hub_refresh_span):
        self.hub_refresh_span = hub_refresh_span
        self.hub_pool = {}
        for url in urls:
            self.hub_pool[url] = 0

    def set_status(self, url, status_code):
        if url in self.pending:
            self.pending.pop(url)

        if status_code == 200:
            self.db.set_success(url)
            return
        if status_code == 404:
            self.db.set_failure(url)
            return
        if url in self.failure:
            self.failure[url] += 1
            if self.failure[url] > self.failure_threshold:
                self.db.set_failure(url)
                self.failure.pop(url)
            else:
                self.add(url)
        else:
            self.failure[url] = 1
            self.add(url)

    def push_to_pool(self, url):
        host = urlparse.urlparse(url).netloc
        if not host or '.' not in host:
            print('try to push_to_pool with bad url:', url, ', len of ur:', len(url))
            return False
        if host in self.waiting:
            if url in self.waiting[host]:
                return True
            self.waiting[host].add(url)
            if len(self.waiting[host]) > self.max_hosts[1]:
                self.max_hosts[1] = len(self.waiting[host])
                self.max_hosts[0] = host
        else:
            self.waiting[host] = set([url])
        self.waiting_count += 1
        return True

    def add(self, url, always=False):
        if always:
            return self.push_to_pool(url)
        pended_time = self.pending.get(url, 0)
        if time.time() - pended_time < self.pending_threshold:
            print('being downloading:', url)
            return
        if self.db.has(url):
            return
        if pended_time:
            self.pending.pop(url)
        return self.push_to_pool(url)

    def addmany(self, urls, always=False):
        if isinstance(urls, str):
            print('urls is a str !!!!', urls)
            self.add(urls, always)
        else:
            for url in urls:
                self.add(url, always)

    def pop(self, count, hub_percent=50):
        print('
	max of host:', self.max_hosts)

        # 取出的url有两种类型：hub=1, 普通=0
        url_attr_url = 0
        url_attr_hub = 1
        # 1. 首先取出hub，保证获取hub里面的最新url.
        hubs = {}
        hub_count = count * hub_percent // 100
        for hub in self.hub_pool:
            span = time.time() - self.hub_pool[hub]
            if span < self.hub_refresh_span: 
                continue
            hubs[hub] = url_attr_hub # 1 means hub-url 
            self.hub_pool[hub] = time.time() 
            if len(hubs) >= hub_count:
                break

        # 2. 再取出普通url
        left_count = count - len(hubs)
        urls = {}
        for host in self.waiting:
            if not self.waiting[host]:
                continue
            url = self.waiting[host].pop()
            urls[url] = url_attr_url
            self.pending[url] = time.time()
            if self.max_hosts[0] == host:
                self.max_hosts[1] -= 1
            if len(urls) >= left_count:
                break
        self.waiting_count -= len(urls)
        print('To pop:%s, hubs: %s, urls: %s, hosts:%s' % (count, len(hubs), len(urls), len(self.waiting)))
        urls.update(hubs)
        return urls

    def size(self,):
        return self.waiting_count

    def empty(self,):
        return self.waiting_count == 0

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这个网址池的实现，还是比较复杂的，

需要细细分析一下，

1，pickle的使用：

pickle这个库是把内存中的数据序列化到硬盘上面来，

比如可以把内存中的字典存储到硬盘，也可以把硬盘上存的字典，再放到内存，都是用这个pickle，

load_cache(self,):    ----初始化的时候加载url

dump_cache(self):       ---这是结束的时候使用的方法，就是把内存中的数据放到硬盘，

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2，对url的管理，waiting，pending，failure

按照url的host进行分组

self.waiting = {}  # {host: set([urls]), } 按host分组，记录等待下载的URL
是用来存放url的，它是一个字典（dict）结构，key是url的host，value是一个用来存储这个host的所有url的集合(set)。
为什么分组？防止并发的时候一次1000次都是同一个网站，这就是一个小小的攻击了，
但是如果是同样1000次，但是是不通的网站呢，就没有什么问题了，这就是分组的意义，
入池的时候，使用到了addmany, add, push_to_pull

self.pending = {}  # {url: pended_time, } 记录已被取出（self.pop()）但还未被更新状态（正在下载）的URL
正在下载的url，
用来管理正在下载的url状态。它是一个字典结构，key是url，value是它被pop的时间戳。
当一个url被pop()时，就是它被下载的开始。当该url被set_status()时，就是下载结束的时刻。
如果一个url被add() 入pool时，发现它已经被pended的时间超过pending_threshold时，就可以再次入库等待被下载。否则，暂不入池。

失败的次数
self.failure = {} # {url: times,} 记录失败的URL的次数
self.failure_threshold = 3
是一个字典，key是url，value是失败的次数，超过failure_threshold就会被永久记录为失败，不再尝试下载。

self.hub_pool = {}  # {url: last_query_time, }  存放hub url
是一个用来存储hub页面的字典，key是hub url，value是上次刷新该hub页面的时间.
hub页面，比如新浪新闻的首页，就是一个hub页面
新闻抓取最好的状态是什么，就是新浪发布一个新闻，我就能抓取到这个，
hub页面就是上面有很多的url，就是hub页面，　　

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网址池的加入

　　def set_hubs(self, urls, hub_refresh_span):   ---hub_refresh_span这个是定义的huburl下载的间隔
    　　self.hub_refresh_span = hub_refresh_span
    　　self.hub_pool = {}    ----是一个用来存储hub页面的字典，key是hub url，value是上次刷新该hub页面的时间.
    　　for url in urls:
       　　 self.hub_pool[url] = 0

　　def push_to_pool(self, url):
        host = urlparse.urlparse(url).netloc
        if not host or '.' not in host:   ---这是判断是不是一个正确的host
            print('try to push_to_pool with bad url:', url, ', len of ur:', len(url))
            return False
        if host in self.waiting:
            if url in self.waiting[host]:
                return True
            self.waiting[host].add(url)
            if len(self.waiting[host]) > self.max_hosts[1]:   ---这是更新最大的host，
                self.max_hosts[1] = len(self.waiting[host])
                self.max_hosts[0] = host
        else:
            self.waiting[host] = set([url])
        self.waiting_count += 1
        return True

    def add(self, url, always=False):  

　　　　---每次加的时候，当前时间-pending里的时间，小于我设置的间隔，说明这个还不能被再次拿出来，self.pending_threshold = 10  # pending的最大时间，过期要重新下载
　　　　---每次加的时候，都去leveldb里面看看这个url有没有，如果有就不加入进来了，说明这个被下载成功，或者彻底失败了，就不管了，
　　　　---这样确保成功了就不会被再次下载了，彻底失败了也不会被下载了，
　　　　---如果有pendedtime，把这个url从pending里面去掉， 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        if always:
            return self.push_to_pool(url)
        pended_time = self.pending.get(url, 0)
        if time.time() - pended_time < self.pending_threshold:
            print('being downloading:', url)
            return
        if self.db.has(url):
            return
        if pended_time:
            self.pending.pop(url)
        return self.push_to_pool(url)

    def addmany(self, urls, always=False): ---这个很简单，就是循环去加入
        if isinstance(urls, str):
            print('urls is a str !!!!', urls)
            self.add(urls, always)
        else:
            for url in urls:
                self.add(url, always)

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网址池的取出

    def pop(self, count, hub_percent=50):
        print('
	max of host:', self.max_hosts)

        # 取出的url有两种类型：hub=1, 普通=0
        url_attr_url = 0
        url_attr_hub = 1
        # 1. 首先取出hub，保证获取hub里面的最新url.
        hubs = {}
        hub_count = count * hub_percent // 100
        for hub in self.hub_pool:
            span = time.time() - self.hub_pool[hub]    ----这是计算时间是否是到了我设置的间隔了，
            if span < self.hub_refresh_span:
                continue
            hubs[hub] = url_attr_hub  # 1 means hub-url
            self.hub_pool[hub] = time.time()    ----这是覆盖这个hubrul被取出的时间，
            if len(hubs) >= hub_count:
                break

        # 2. 再取出普通url

        left_count = count - len(hubs)
        print("len(hubs)", left_count)
        urls = {}
        for host in self.waiting:        ---这个取的时候是按照host取的
            if not self.waiting[host]:
                continue
            url = self.waiting[host].pop()   ----这是取出一个，
            urls[url] = url_attr_url         ---这是放到url里面
            self.pending[url] = time.time()     ---这是更新pending，因为取出了是放到了pending中，
            if self.max_hosts[0] == host:
                self.max_hosts[1] -= 1
            if len(urls) >= left_count:
                break
        self.waiting_count -= len(urls)
        print('To pop:%s, hubs: %s, urls: %s, hosts:%s' % (count, len(hubs), len(urls), len(self.waiting)))
        urls.update(hubs)
        return urls

　　 这个urls的结构:{"huburl":1,"huburl":1,"url",0,}

网址池的成功和失败

set_status() 方法设置网址池中url的状态

    def set_status(self, url, status_code):  ----从pending中去掉，因为不管成功失败，都不用在pending里面了
        if url in self.pending:
            self.pending.pop(url)

        if status_code == 200:
            self.db.set_success(url)
            return
        if status_code == 404:       ----记住200和404都是永久的状态， 就永久踢出网址池了，
            self.db.set_failure(url)
            return
        if url in self.failure:     ----这是其他失败状态的重试，这是在一次urlpool的过程，断了就要重新开始了，
            self.failure[url] += 1
            if self.failure[url] > self.failure_threshold:
                self.db.set_failure(url)
                self.failure.pop(url)
            else:
                self.add(url)
        else:
            self.failure[url] = 1
            self.add(url)

url分成了两类，一个huburl，一个普通的url

pop就是我一次拿出多少个url来，如果我并发就是1000，我就是一次拿出1000个url，机器比较弱，那就少拿，比如10个，hub页面占据50%

huburl是需要不断的拿的，所以有一个更新时间戳的过程，

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数据库的设计

这个爬虫需要用到MySQL数据库，在开始写爬虫之前，我们要简单设计一下数据库的表结构：

1. 数据库设计
创建一个名为crawler的数据库，并创建爬虫需要的两个表：

crawler_hub ：此表用于存储hub页面的url

+------------+------------------+------+-----+-------------------+----------------+
| Field      | Type             | Null | Key | Default           | Extra          |
+------------+------------------+------+-----+-------------------+----------------+
| id         | int(10) unsigned | NO   | PRI | NULL              | auto_increment |
| url        | varchar(64)      | NO   | UNI | NULL              |                |
| created_at | timestamp        | NO   |     | CURRENT_TIMESTAMP |                |
+------------+------------------+------+-----+-------------------+----------------+
创建该表的语句就是：

CREATE TABLE `crawler_hub` (
  `id` int(10) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `url` varchar(64) NOT NULL,
  `created_at` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE KEY `url` (`url`)
) ENGINE=MyISAM DEFAULT CHARSET=utf8
对url字段建立唯一索引，可以防止重复插入相同的url。

crawler_html ：此表存储html内容
html是大量的文本内容，压缩存储会大大减少磁盘使用量。这里，我们选用lzma压缩算法。表的结构如下：

+------------+---------------------+------+-----+-------------------+----------------+
| Field      | Type                | Null | Key | Default           | Extra          |
+------------+---------------------+------+-----+-------------------+----------------+
| id         | bigint(20) unsigned | NO   | PRI | NULL              | auto_increment |
| urlhash    | bigint(20) unsigned | NO   | UNI | NULL              |                |
| url        | varchar(512)        | NO   |     | NULL              |                |
| html_lzma  | longblob            | NO   |     | NULL              |                |
| created_at | timestamp           | YES  |     | CURRENT_TIMESTAMP |                |
+------------+---------------------+------+-----+-------------------+----------------+
创建该表的语句为：

CREATE TABLE `crawler_html` (
  `id` bigint(20) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `urlhash` bigint(20) unsigned NOT NULL COMMENT 'farmhash',
  `url` varchar(512) NOT NULL,
  `html_lzma` longblob NOT NULL,
  `created_at` timestamp NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE KEY `urlhash` (`urlhash`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8
该表中，我们存储了url的64位的farmhash，并对这个urlhash建立了唯一索引。id类型为无符号的bigint，也就是2的64次方，足够放下你能抓取的网页。

farmhash是Google开源的一个hash算法。64位的hash空间有2的64次方那么大，大到随意把url映射为一个64位无符号整数，也不会出现hash碰撞。老猿使用它多年也未发现hash碰撞的问题。

由于上传到pypi时，farmhash这个包名不能用，就以pyfarmhash上传到pypi上了，所以要安装farmhash的python包，应该是：

pip install pyfarmhash
（多谢评论的朋友反馈这个问题。）

数据库建立好后，我们就可以开始写爬虫的代码了。

process函数

    def process(self, url, ishub):
        status, html, redirected_url = fn.downloader(url)
        self.urlpool.set_status(url, status)
        if redirected_url != url:
            self.urlpool.set_status(redirected_url, status)
        # 提取hub网页中的链接, 新闻网页中也有“相关新闻”的链接，按需提取
        if status != 200:
            return
        if ishub:
            newlinks = fn.extract_links_re(redirected_url, html)
            goodlinks = self.filter_good(newlinks)
            print("%s/%s, goodlinks/newlinks" % (len(goodlinks), len(newlinks)))
            self.urlpool.addmany(goodlinks)
        else:
            self.save_to_db(redirected_url, html)   我传入一个新闻详情页，就可以直接保存到数据库了，有id，url，urlhash，html_lzma，createtime

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filter_good函数

这个具体的实现过程，每一个任务都不一样，要根据任务的需要来过滤，

    def filter_good(self, urls):  --实现爬虫的时候，要注意你需要的链接，友好链接这样的，还有广告的链接，都不是我们要的链接，
        goodlinks = []
        for url in urls:
            host = urlparse.urlparse(url).netloc
            if host in self.hub_hosts:
                goodlinks.append(url)
        return goodlinks

 

如何使用你的urlpool，还需要看你具体的业务这么使用这个网址池，

对url的去重问题，使用了hash算法，这个要学学，

注意这个urlpool里面还是实现了url的路径还有html都有的，

这个html是没有解析的，

如果是解析的话，使用另外的程序来解析的，就是放到另外的表了，

这个解析的使用多进程的方式，使用进程池的方式来，这个解析会涉及到cpu，如果是8核的，就是启动8个进程，

  

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作业：还是新浪新闻，

多弄几个hub页面，然后把每一个hub页面里面的普通新闻url，都抓取下来，

把对应的页面url和页面的源代码存储到数据库里面去，

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