Python 多线程抓取网页

   最近，一直在做网络爬虫相关的东西。 看了一下开源C++写的larbin爬虫，仔细阅读了里面的设计思想和一些关键技术的实现。

1、larbin的URL去重用的很高效的bloom filter算法；
2、DNS处理，使用的adns异步的开源组件；
3、对于url队列的处理，则是用部分缓存到内存，部分写入文件的策略。
4、larbin对文件的相关操作做了很多工作
5、在larbin里有连接池，通过创建套接字，向目标站点发送HTTP协议中GET方法，获取内容，再解析header之类的东西
6、大量描述字，通过poll方法进行I/O复用，很高效
7、larbin可配置性很强
8、作者所使用的大量数据结构都是自己从最底层写起的，基本没用STL之类的东西
......
还有很多，以后有时间在好好写篇文章，总结下。

   这两天，用python写了个多线程下载页面的程序，对于I/O密集的应用而言，多线程显然是个很好的解决方案。刚刚写过的线程池，也正好可以利用上了。其实用python爬取页面非常简单，有个urllib2的模块，使用起来很方便，基本两三行代码就可以搞定。虽然使用第三方模块，可以很方便的解决问题，但是对个人的技术积累而言没有什么好处，因为关键的算法都是别人实现的，而不是你自己实现的，很多细节的东西，你根本就无法了解。 我们做技术的，不能一味的只是用别人写好的模块或是api，要自己动手实现，才能让自己学习得更多。

  我决定从socket写起，也是去封装GET协议，解析header，而且还可以把DNS的解析过程单独处理，例如DNS缓存一下，所以这样自己写的话，可控性更强，更有利于扩展。对于timeout的处理，我用的全局的5秒钟的超时处理，对于重定位（301or302）的处理是，最多重定位3次，因为之前测试过程中，发现很多站点的重定位又定位到自己，这样就无限循环了，所以设置了上限。具体原理，比较简单，直接看代码就好了。

   自己写完之后，与urllib2进行了下性能对比，自己写的效率还是比较高的，而且urllib2的错误率稍高一些，不知道为什么。网上有人说urllib2在多线程背景下有些小问题，具体我也不是特别清楚。

先贴代码：

fetchPage.py  使用Http协议的Get方法，进行页面下载，并存储为文件

'''
Created on 2012-3-13
Get Page using GET method
Default using HTTP Protocol , http port 80
@author: xiaojay
'''
import socket
import statistics
import datetime
import threading

socket.setdefaulttimeout(statistics.timeout)

class Error404(Exception):
    '''Can not find the page.'''
    pass

class ErrorOther(Exception):
    '''Some other exception'''
    def __init__(self,code):
        #print 'Code :',code
        pass
class ErrorTryTooManyTimes(Exception):
    '''try too many times'''
    pass

def downPage(hostname ,filename , trytimes=0):
    try :
        #To avoid too many tries .Try times can not be more than max_try_times
        if trytimes >= statistics.max_try_times : 
            raise ErrorTryTooManyTimes
    except ErrorTryTooManyTimes :
        return statistics.RESULTTRYTOOMANY,hostname+filename
    try:
        s = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM) 
        #DNS cache
        if statistics.DNSCache.has_key(hostname):
            addr = statistics.DNSCache[hostname]
        else:
            addr = socket.gethostbyname(hostname)
            statistics.DNSCache[hostname] = addr
        #connect to http server ,default port 80
        s.connect((addr,80))
        msg  = 'GET '+filename+' HTTP/1.0\r\n'
        msg += 'Host: '+hostname+'\r\n'
        msg += 'User-Agent:xiaojay\r\n\r\n'
        code = '' 
        f = None
        s.sendall(msg)
        first = True
        while True:
            msg = s.recv(40960)
            if not len(msg):
                if f!=None:
                    f.flush()
                    f.close()
                break
            # Head information must be in the first recv buffer
            if first:
                first = False                
                headpos = msg.index("\r\n\r\n")
                code,other = dealwithHead(msg[:headpos])
                if code=='200':
                    #statistics.fetched_url += 1
                    f = open('pages/'+str(abs(hash(hostname+filename))),'w')
                    f.writelines(msg[headpos+4:])
                elif code=='301' or code=='302':
                    #if code is 301 or 302 , try down again using redirect location
                    if other.startswith("http") :                
                        hname, fname = parse(other)
                        downPage(hname,fname,trytimes+1)#try again
                    else :
                        downPage(hostname,other,trytimes+1)
                elif code=='404':
                    raise Error404
                else : 
                    raise ErrorOther(code)
            else:
                if f!=None :f.writelines(msg)
        s.shutdown(socket.SHUT_RDWR)
        s.close()
        return statistics.RESULTFETCHED,hostname+filename
    except Error404 :
        return statistics.RESULTCANNOTFIND,hostname+filename
    except ErrorOther:
        return statistics.RESULTOTHER,hostname+filename
    except socket.timeout:
        return statistics.RESULTTIMEOUT,hostname+filename
    except Exception, e:
        return statistics.RESULTOTHER,hostname+filename
def dealwithHead(head):
    '''deal with HTTP HEAD'''
    lines = head.splitlines()
    fstline = lines[0]
    code =fstline.split()[1]
    if code == '404' : return (code,None)
    if code == '200' : return (code,None)
    if code == '301' or code == '302' : 
        for line in lines[1:]:
            p = line.index(':')
            key = line[:p]
            if key=='Location' :
                return (code,line[p+2:])
    return (code,None)
    
def parse(url):
    '''Parse a url to hostname+filename'''
    try:
        u = url.strip().strip('\n').strip('\r').strip('\t')
        if u.startswith('http://') :
            u = u[7:]
        elif u.startswith('https://'):
            u = u[8:]
        if u.find(':80')>0 :
            p = u.index(':80')
            p2 = p + 3
        else:
            if u.find('/')>0:
                p = u.index('/') 
                p2 = p
            else:
                p = len(u)
                p2 = -1
        hostname = u[:p]
        if p2>0 :
            filename = u[p2:]
        else : filename = '/'
        return hostname, filename
    except Exception ,e:
        print "Parse wrong : " , url
        print e

def PrintDNSCache():
    '''print DNS dict'''
    n = 1
    for hostname in statistics.DNSCache.keys():
        print n,'\t',hostname, '\t',statistics.DNSCache[hostname]
        n+=1

def dealwithResult(res,url):
    '''Deal with the result of downPage'''
    statistics.total_url+=1
    if res==statistics.RESULTFETCHED :
        statistics.fetched_url+=1
        print statistics.total_url , '\t fetched :', url
    if res==statistics.RESULTCANNOTFIND :
        statistics.failed_url+=1
        print "Error 404 at : ", url
    if res==statistics.RESULTOTHER :
        statistics.other_url +=1
        print "Error Undefined at : ", url
    if res==statistics.RESULTTIMEOUT :
        statistics.timeout_url +=1
        print "Timeout ",url
    if res==statistics.RESULTTRYTOOMANY:
        statistics.trytoomany_url+=1
        print e ,"Try too many times at", url

if __name__=='__main__':    
    print  'Get Page using GET method'
    

下面，我将利用上一篇的线程池作为辅助，实现多线程下的并行爬取，并用上面自己写的下载页面的方法和urllib2进行一下性能对比。

'''
Created on 2012-3-16
@author: xiaojay
'''
import fetchPage
import threadpool
import datetime
import statistics
import urllib2


'''one thread'''
def usingOneThread(limit):
    urlset = open("input.txt","r")
    start = datetime.datetime.now()
    for u in urlset:
        if limit <= 0 : break
        limit-=1
        hostname , filename = parse(u)
        res= fetchPage.downPage(hostname,filename,0)
        fetchPage.dealwithResult(res)
    end = datetime.datetime.now()
    print "Start at :\t" , start
    print "End at :\t" , end
    print "Total Cost :\t" , end - start
    print 'Total fetched :', statistics.fetched_url
    

'''threadpoll and GET method'''
def callbackfunc(request,result):
    fetchPage.dealwithResult(result[0],result[1])

def usingThreadpool(limit,num_thread):
    urlset = open("input.txt","r")
    start = datetime.datetime.now()
    main = threadpool.ThreadPool(num_thread)
    for url in urlset :
        try :
            hostname , filename = fetchPage.parse(url)
            req = threadpool.WorkRequest(fetchPage.downPage,args=[hostname,filename],kwds={},callback=callbackfunc)
            main.putRequest(req)
        except Exception:
            print Exception.message        
    while True:
        try:
            main.poll()
            if statistics.total_url >= limit : break
        except threadpool.NoResultsPending:
            print "no pending results"
            break
        except Exception ,e:
            print e
    end = datetime.datetime.now()
    print "Start at :\t" , start    
    print "End at :\t" , end
    print "Total Cost :\t" , end - start
    print 'Total url :',statistics.total_url
    print 'Total fetched :', statistics.fetched_url
    print 'Lost url :', statistics.total_url - statistics.fetched_url
    print 'Error 404 :' ,statistics.failed_url
    print 'Error timeout :',statistics.timeout_url
    print 'Error Try too many times ' ,statistics.trytoomany_url
    print 'Error Other faults ',statistics.other_url
    main.stop()

'''threadpool and urllib2 '''
def downPageUsingUrlib2(url):
    try:
        req = urllib2.Request(url)
        fd = urllib2.urlopen(req)
        f = open("pages3/"+str(abs(hash(url))),'w')
        f.write(fd.read())
        f.flush()
        f.close()
        return url ,'success'
    except Exception:
        return url , None
    
def writeFile(request,result):
    statistics.total_url += 1
    if result[1]!=None :
        statistics.fetched_url += 1
        print statistics.total_url,'\tfetched :', result[0],
    else:
        statistics.failed_url += 1
        print statistics.total_url,'\tLost :',result[0],

def usingThreadpoolUrllib2(limit,num_thread):
    urlset = open("input.txt","r")
    start = datetime.datetime.now()   
    main = threadpool.ThreadPool(num_thread)    
    
    for url in urlset :
        try :
            req = threadpool.WorkRequest(downPageUsingUrlib2,args=[url],kwds={},callback=writeFile)
            main.putRequest(req)
        except Exception ,e:
            print e
        
    while True:
        try:
            main.poll()
            if statistics.total_url  >= limit : break
        except threadpool.NoResultsPending:
            print "no pending results"
            break
        except Exception ,e:
            print e 
    end = datetime.datetime.now()    
    print "Start at :\t" , start 
    print "End at :\t" , end
    print "Total Cost :\t" , end - start
    print 'Total url :',statistics.total_url
    print 'Total fetched :', statistics.fetched_url
    print 'Lost url :', statistics.total_url - statistics.fetched_url
    main.stop()

if __name__ =='__main__':
    '''too slow'''
    #usingOneThread(100)
    '''use Get method'''
    #usingThreadpool(3000,50)
    '''use urllib2'''
    usingThreadpoolUrllib2(3000,50)

实验分析：

实验数据：larbin抓取下来的3000条url，经过Mercator队列模型（我用c++实现的，以后有机会发个blog）处理后的url集合，具有随机和代表性。使用50个线程的线程池。
实验环境：ubuntu10.04，网络较好，python2.6
存储：小文件，每个页面，一个文件进行存储
PS：由于学校上网是按流量收费的，做网络爬虫，灰常费流量啊！！！过几天，可能会做个大规模url下载的实验，用个几十万的url试试。

实验结果：

使用urllib2 ，usingThreadpoolUrllib2(3000,50)

Start at :    2012-03-16 22:18:20.956054
End at :    2012-03-16 22:22:15.203018
Total Cost :    0:03:54.246964
Total url : 3001
Total fetched : 2442
Lost url : 559
下载页面的物理存储大小：84088kb

使用自己的getPageUsingGet ，usingThreadpool(3000,50)

Start at :    2012-03-16 22:23:40.206730
End at :    2012-03-16 22:26:26.843563
Total Cost :    0:02:46.636833
Total url : 3002
Total fetched : 2484
Lost url : 518
Error 404 : 94
Error timeout : 312
Error Try too many times  0
Error Other faults  112
下载页面的物理存储大小：87168kb

小结： 自己写的下载页面程序，效率还是很不错的，而且丢失的页面也较少。但其实自己考虑一下，还是有很多地方可以优化的，比如文件过于分散，过多的小文件创建和释放定会产生不小的性能开销，而且程序里用的是hash命名，也会产生很多的计算，如果有好的策略，其实这些开销都是可以省略的。另外DNS，也可以不使用python自带的DNS解析，因为默认的DNS解析都是同步的操作，而DNS解析一般比较耗时，可以采取多线程的异步的方式进行，再加以适当的DNS缓存很大程度上可以提高效率。不仅如此，在实际的页面抓取过程中，会有大量的url ，不可能一次性把它们存入内存，而应该按照一定的策略或是算法进行合理的分配。 总之，采集页面要做的东西以及可以优化的东西，还有很多很多。

附件下载：程序代码（水平有限，仅供参考）

略改进版：minicrawler（里面的beautifulSoup需要改成3.x版本的）