Scrapy-redis爬虫分布式爬取的分析和实现(scrapy—redis)

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Scrapy

Scrapy是一个比较好用的Python爬虫框架，你只需要编写几个组件就可以实现网页数据的爬取。但是当我们要爬取的页面非常多的时候，单个主机的处理能力就不能满足我们的需求了（无论是处理速度还是网络请求的并发数），这时候分布式爬虫的优势就显现出来。

而Scrapy-Redis则是一个基于Redis的Scrapy分布式组件。它利用Redis对用于爬取的请求(Requests)进行存储和调度(Schedule)，并对爬取产生的项目(items)存储以供后续处理使用。scrapy-redi重写了scrapy一些比较关键的代码，将scrapy变成一个可以在多个主机上同时运行的分布式爬虫。

原生的Scrapy的架构是这样子的：

加上了Scrapy-Redis之后的架构变成了：

scrapy-redis的官方文档写的比较简洁，没有提及其运行原理，所以如果想全面的理解分布式爬虫的运行原理，还是得看scrapy-redis的源代码才行，不过scrapy-redis的源代码很少，也比较好懂，很快就能看完。

scrapy-redis工程的主体还是是redis和scrapy两个库，工程本身实现的东西不是很多，这个工程就像胶水一样，把这两个插件粘结了起来。

scrapy-redis提供了哪些组件？

scrapy-redis所实现的两种分布式：爬虫分布式以及item处理分布式。分别是由模块scheduler和模块pipelines实现。

connection.py

负责根据setting中配置实例化redis连接。被dupefilter和scheduler调用，总之涉及到redis存取的都要使用到这个模块。

connect文件引入了redis模块，这个是redis-python库的接口，用于通过python访问redis数据库，可见，这个文件主要是实现连接redis数据库的功能（返回的是redis库的Redis对象或者StrictRedis对象，这俩都是可以直接用来进行数据操作的对象）。这些连接接口在其他文件中经常被用到。其中，我们可以看到，要想连接到redis数据库，和其他数据库差不多，需要一个ip地址、端口号、用户名密码（可选）和一个整形的数据库编号，同时我们还可以在scrapy工程的setting文件中配置套接字的超时时间、等待时间等。

dupefilter.py

负责执行requst的去重，实现的很有技巧性，使用redis的set数据结构。但是注意scheduler并不使用其中用于在这个模块中实现的dupefilter键做request的调度，而是使用queue.py模块中实现的queue。当request不重复时，将其存入到queue中，调度时将其弹出。

这个文件看起来比较复杂，重写了scrapy本身已经实现的request判重功能。因为本身scrapy单机跑的话，只需要读取内存中的request队列或者持久化的request队列（scrapy默认的持久化似乎是json格式的文件，不是数据库）就能判断这次要发出的request url是否已经请求过或者正在调度（本地读就行了）。而分布式跑的话，就需要各个主机上的scheduler都连接同一个数据库的同一个request池来判断这次的请求是否是重复的了。

在这个文件中，通过继承BaseDupeFilter重写他的方法，实现了基于redis的判重。根据源代码来看，scrapy-redis使用了scrapy本身的一个fingerprint接request_fingerprint，这个接口很有趣，根据scrapy文档所说，他通过hash来判断两个url是否相同（相同的url会生成相同的hash结果），但是当两个url的地址相同，get型参数相同但是顺序不同时，也会生成相同的hash结果（这个真的比较神奇。。。）所以scrapy-redis依旧使用url的fingerprint来判断request请求是否已经出现过。这个类通过连接redis，使用一个key来向redis的一个set中插入fingerprint（这个key对于同一种spider是相同的，redis是一个key-value的数据库，如果key是相同的，访问到的值就是相同的，这里使用spider名字+DupeFilter的key就是为了在不同主机上的不同爬虫实例，只要属于同一种spider，就会访问到同一个set，而这个set就是他们的url判重池），如果返回值为0，说明该set中该fingerprint已经存在（因为集合是没有重复值的），则返回False，如果返回值为1，说明添加了一个fingerprint到set中，则说明这个request没有重复，于是返回True，还顺便把新fingerprint加入到数据库中了。 DupeFilter判重会在scheduler类中用到，每一个request在进入调度之前都要进行判重，如果重复就不需要参加调度，直接舍弃就好了，不然就是白白浪费资源。

queue.py

其作用如dupefilter.py所述，但是这里实现了三种方式的queue：FIFO的SpiderQueue，SpiderPriorityQueue，以及LIFI的SpiderStack。默认使用的是第二种，这也就是出现之前文章中所分析情况的原因（链接）。

该文件实现了几个容器类，可以看这些容器和redis交互频繁，同时使用了我们上边picklecompat中定义的serializer。这个文件实现的几个容器大体相同，只不过一个是队列，一个是栈，一个是优先级队列，这三个容器到时候会被scheduler对象实例化，来实现request的调度。比如我们使用SpiderQueue最为调度队列的类型，到时候request的调度方法就是先进先出，而实用SpiderStack就是先进后出了。

我们可以仔细看看SpiderQueue的实现，他的push函数就和其他容器的一样，只不过push进去的request请求先被scrapy的接口request_to_dict变成了一个dict对象（因为request对象实在是比较复杂，有方法有属性不好串行化），之后使用picklecompat中的serializer串行化为字符串，然后使用一个特定的key存入redis中（该key在同一种spider中是相同的）。而调用pop时，其实就是从redis用那个特定的key去读其值（一个list），从list中读取最早进去的那个，于是就先进先出了。

这些容器类都会作为scheduler调度request的容器，scheduler在每个主机上都会实例化一个，并且和spider一一对应，所以分布式运行时会有一个spider的多个实例和一个scheduler的多个实例存在于不同的主机上，但是，因为scheduler都是用相同的容器，而这些容器都连接同一个redis服务器，又都使用spider名加queue来作为key读写数据，所以不同主机上的不同爬虫实例公用一个request调度池，实现了分布式爬虫之间的统一调度。

picklecompat.py

这里实现了loads和dumps两个函数，其实就是实现了一个serializer，因为redis数据库不能存储复杂对象（value部分只能是字符串，字符串列表，字符串集合和hash，key部分只能是字符串），所以我们存啥都要先串行化成文本才行。这里使用的就是python的pickle模块，一个兼容py2和py3的串行化工具。这个serializer主要用于一会的scheduler存reuqest对象，至于为什么不实用json格式，我也不是很懂，item pipeline的串行化默认用的就是json。

pipelines.py

这是是用来实现分布式处理的作用。它将Item存储在redis中以实现分布式处理。另外可以发现，同样是编写pipelines，在这里的编码实现不同于文章中所分析的情况，由于在这里需要读取配置，所以就用到了from_crawler()函数。

pipeline文件实现了一个item pipieline类，和scrapy的item pipeline是同一个对象，通过从settings中拿到我们配置的REDIS_ITEMS_KEY作为key，把item串行化之后存入redis数据库对应的value中（这个value可以看出出是个list，我们的每个item是这个list中的一个结点），这个pipeline把提取出的item存起来，主要是为了方便我们延后处理数据。

scheduler.py

此扩展是对scrapy中自带的scheduler的替代（在settings的SCHEDULER变量中指出），正是利用此扩展实现crawler的分布式调度。其利用的数据结构来自于queue中实现的数据结构。

scrapy-redis所实现的两种分布式：爬虫分布式以及item处理分布式就是由模块scheduler和模块pipelines实现。上述其它模块作为为二者辅助的功能模块。

这个文件重写了scheduler类，用来代替scrapy.core.scheduler的原有调度器。其实对原有调度器的逻辑没有很大的改变，主要是使用了redis作为数据存储的媒介，以达到各个爬虫之间的统一调度。

scheduler负责调度各个spider的request请求，scheduler初始化时，通过settings文件读取queue和dupefilters的类型（一般就用上边默认的），配置queue和dupefilters使用的key（一般就是spider name加上queue或者dupefilters，这样对于同一种spider的不同实例，就会使用相同的数据块了）。每当一个request要被调度时，enqueue_request被调用，scheduler使用dupefilters来判断这个url是否重复，如果不重复，就添加到queue的容器中（先进先出，先进后出和优先级都可以，可以在settings中配置）。当调度完成时，next_request被调用，scheduler就通过queue容器的接口，取出一个request，把他发送给相应的spider，让spider进行爬取工作。

spider.py

设计的这个spider从redis中读取要爬的url，然后执行爬取，若爬取过程中返回更多的url，那么继续进行直至所有的request完成。之后继续从redis中读取url，循环这个过程。

spider的改动也不是很大，主要是通过connect接口，给spider绑定了spider_idle信号，spider初始化时，通过setup_redis函数初始化好和redis的连接，之后通过next_requests函数从redis中取出strat url，使用的key是settings中

REDIS_START_URLS_AS_SET定义的（注意了这里的初始化url池和我们上边的queue的url池不是一个东西，queue的池是用于调度的，初始化url池是存放入口url的，他们都存在redis中，但是使用不同的key来区分，就当成是不同的表吧），spider使用少量的start url，可以发展出很多新的url，这些url会进入scheduler进行判重和调度。直到spider跑到调度池内没有url的时候，会触发spider_idle信号，从而触发spider的next_requests函数，再次从redis的start url池中读取一些url。

组件之间的关系

最后总结一下scrapy-redis的总体思路：这个工程通过重写scheduler和spider类，实现了调度、spider启动和redis的交互。实现新的dupefilter和queue类，达到了判重和调度容器和redis的交互，因为每个主机上的爬虫进程都访问同一个redis数据库，所以调度和判重都统一进行统一管理，达到了分布式爬虫的目的。

当spider被初始化时，同时会初始化一个对应的scheduler对象，这个调度器对象通过读取settings，配置好自己的调度容器queue和判重工具dupefilter。每当一个spider产出一个request的时候，scrapy内核会把这个reuqest递交给这个spider对应的scheduler对象进行调度，scheduler对象通过访问redis对request进行判重，如果不重复就把他添加进redis中的调度池。当调度条件满足时，scheduler对象就从redis的调度池中取出一个request发送给spider，让他爬取。当spider爬取的所有暂时可用url之后，scheduler发现这个spider对应的redis的调度池空了，于是触发信号spider_idle，spider收到这个信号之后，直接连接redis读取strart url池，拿去新的一批url入口，然后再次重复上边的工作。

为什么要提供这些组件？

我们先从scrapy的“待爬队列”和“Scheduler”入手：玩过爬虫的同学都多多少少有些了解，在爬虫爬取过程当中有一个主要的数据结构是“待爬队列”，以及能够操作这个队列的调度器（也就是Scheduler）。scrapy官方文档对这二者的描述不多，基本上没提。

scrapy使用什么样的数据结构来存放待爬取的request呢？其实没用高大上的数据结构，就是python自带的collection.deque（改造过后的），问题来了，该怎么让两个以上的Spider共用这个deque呢？

scrapy-redis提供了一个解决方法，把deque换成redis数据库，我们从同一个redis服务器存放要爬取的request，这样就能让多个spider去同一个数据库里读取，这样分布式的主要问题就解决了嘛。

那么问题又来了，我们换了redis来存放队列，哪scrapy就能直接分布式了么？。scrapy中跟“待爬队列”直接相关的就是调度器“Scheduler”，它负责对新的request进行入列操作（加入deque），取出下一个要爬取的request（从deque中取出）等操作。在scrapy中，Scheduler并不是直接就把deque拿来就粗暴的使用了，而且提供了一个比较高级的组织方法，它把待爬队列按照优先级建立了一个字典结构，比如：

然后根据request中的priority属性，来决定该入哪个队列。而出列时，则按priority较小的优先出列。为了管理这个比较高级的队列字典，Scheduler需要提供一系列的方法。你要是换了redis做队列，这个scrapy下的Scheduler就用不了，所以自己写一个吧。于是就出现了scrapy-redis的专用scheduler。

那么既然使用了redis做主要数据结构，能不能把其他使用自带数据结构关键功能模块也换掉呢？ 在我们爬取过程当中，还有一个重要的功能模块，就是request去重。scrapy中是如何实现这个去重功能的呢？用集合~scrapy中把已经发送的request指纹放入到一个集合中，把下一个request的指纹拿到集合中比对，如果该指纹存在于集合中，说明这个request发送过了，如果没有则继续操作。

为了分布式，把这个集合也换掉吧，换了redis，照样也得把去重类给换了。于是就有了scrapy-redis的dupefilter。那么依次类推，接下来的其他组件（Pipeline和Spider），我们也可以轻松的猜到，他们是为什么要被修改呢。

总结