爬虫入门指南(5): 分布式爬虫与并发控制【提高爬取效率与请求合理性控制的实现方法】-Toy模板网

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前言

在进行爬虫任务时，我们常常会面临两个重要问题：如何提高爬取效率以及如何合理控制请求的并发量，以避免对目标网站造成过大的压力。针对这些问题，本文将介绍分布式爬虫与并发控制的相关知识点，并演示使用Scrapy框架实现分布式爬虫，并对并发控制进行限制请求频率。

多线程与多进程

爬虫入门指南(5): 分布式爬虫与并发控制【提高爬取效率与请求合理性控制的实现方法】,python案例分析归纳,爬虫,分布式,python

当涉及到并发处理时，多线程和多进程是两种常用的技术。它们可以同时执行多个任务，提高程序的效率和性能。下面我将详细讲解多线程和多进程的概念、特点以及使用方法。

多线程

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多线程是指在一个进程内创建多个线程来执行任务。线程是程序执行中的最小单元，多个线程共享同一个进程的资源。多线程有以下几个特点：

资源共享：多个线程可以共享同一个进程的地址空间、文件描述符等资源，因此可以方便地进行数据交换和通信。
轻量级：相对于多进程而言，多线程的创建和切换成本更低，占用的系统资源更少。
异步编程：多线程可以实现异步操作，使得程序可以同时执行多个任务，提高程序的响应速度。

在Python中，可以使用标准库中的threading模块实现多线程编程。具体步骤如下：

导入threading模块：import threading
定义线程函数：编写需要在每个线程中执行的任务。
创建线程对象：使用threading.Thread(target=函数名)创建线程对象，并设置线程的目标函数。
启动线程：使用start()方法启动线程，开始执行线程中的任务。
等待线程结束：使用join()方法等待线程执行完毕。

示例代码:

 import threading

def task():
    # 线程执行的任务
    print("Thread ID: {} - Hello, World!".format(threading.get_ident()))

# 创建4个线程并启动
for _ in range(4):
    thread = threading.Thread(target=task)  # 创建线程对象，设置目标函数为task
    thread.start()  # 启动线程
    thread.join()  # 等待线程结束

代码使用threading模块创建了4个线程，并在每个线程中执行task()函数。每个线程将打印出当前线程的ID，然后输出"Hello, World!"。通过循环创建和启动线程，并使用join()方法等待线程结束，确保每个线程都执行完毕。

多进程

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多进程是指在操作系统中同时运行多个进程，每个进程独立执行任务。不同进程之间有自己独立的内存空间和资源环境，彼此之间不会相互影响。多进程有以下几个特点：

数据隔离：每个进程拥有独立的地址空间和资源环境，数据之间相互隔离，保证了程序的安全性。
并发处理：多个进程可以同时执行不同的任务，提高程序的并发处理能力。
稳定性：由于进程之间相互独立，一个进程崩溃不会影响其他进程，提高了程序的稳定性。

在Python中，可以使用标准库中的multiprocessing模块实现多进程编程。具体步骤如下：

导入multiprocessing模块：import multiprocessing
定义进程函数：编写需要在每个进程中执行的任务。
创建进程对象：使用multiprocessing.Process(target=函数名)创建进程对象，并设置进程的目标函数。
启动进程：使用start()方法启动进程，开始执行进程中的任务。
等待进程结束：使用join()方法等待进程执行完毕。

示例代码:

  import multiprocessing

def task():
    # 进程执行的任务
    print("Process ID: {} - Hello, World!".format(multiprocessing.current_process().pid))

# 创建4个进程并启动
processes = []
for _ in range(4):
    process = multiprocessing.Process(target=task)  # 创建进程对象，设置目标函数为task
    process.start()  # 启动进程
    processes.append(process)

# 等待所有进程结束
for process in processes:
    process.join()

代码使用multiprocessing模块创建了4个进程，并在每个进程中执行task()函数。每个进程将打印出当前进程的ID，然后输出"Hello, World!"。通过循环创建和启动进程，并使用join()方法等待所有进程结束，确保每个进程都执行完毕。

注意，在多进程示例中，我们使用了一个列表来保存所有的进程对象，然后在最后使用循环和join()方法等待所有进程结束。

多线程和多进程的选择

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在实际开发中，选择多线程还是多进程需要根据具体的需求和情况进行权衡。一般来说：

如果任务涉及到I/O密集型操作（如网络请求、文件读写等），多线程通常是一个不错的选择，因为线程之间可以很好地共享资源和交互。
如果任务涉及到CPU密集型操作（如复杂的计算、图像处理等），多进程可能更适合，因为每个进程有独立的计算资源，可以充分利用多核处理器。

此外，需要注意的是，多线程和多进程的并发操作涉及到共享资源的访问，可能引发一些并发控制和同步机制的问题，例如线程安全性、锁、信号量等，开发者需要注意处理这些问题，保证程序的正确执行。

使用Scrapy框架实现分布式爬虫

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Scrapy是一个强大的Python爬虫框架，提供了分布式爬虫的支持。通过使用Scrapy的分布式架构，我们可以将爬取任务分发到多个节点上，以提高爬取效率。

当使用Scrapy框架实现分布式爬虫时，可以利用Scrapy-Redis扩展来实现任务队列的管理和分布式爬取。Scrapy-Redis扩展通过使用Redis作为任务队列实现多个爬虫节点之间的任务调度和数据共享。下

首先安装好Scrapy和Scrapy-Redis扩展。

命令如下:

pip install scrapy scrapy-redis

接下来，创建一个Scrapy项目，并在该项目中进行相应的配置。

1. 创建Scrapy项目

scrapy startproject myproject

这会生成一个名为myproject的Scrapy项目。

2. 配置Scrapy-Redis

进入项目目录，打开settings.py文件，添加以下内容：

# 开启Scrapy-Redis扩展
import scrapy_redis

# 将默认的Scheduler替换为Scrapy-Redis提供的Scheduler
SCHEDULER = "scrapy_redis.scheduler.Scheduler"
# 使用Redis的去重器
DUPEFILTER_CLASS = "scrapy_redis.dupefilter.RFPDupeFilter"
# 设置Redis为队列的存储方式
SCHEDULER_QUEUE_CLASS = "scrapy_redis.queue.SpiderPriorityQueue"
# 允许暂停后，恢复之前的爬取进度
SCHEDULER_PERSIST = True
# 在Redis中保留请求队列和去重集合的时间，单位为秒
SCHEDULER_IDLE_BEFORE_CLOSE = 10

# 设置Redis连接参数
REDIS_HOST = 'localhost'  # Redis服务器地址
REDIS_PORT = 6379  # Redis端口号

# 启用RedisPipeline将数据存储到Redis中
ITEM_PIPELINES = {
    'scrapy_redis.pipelines.RedisPipeline': 300,
}

以上配置启用了Scrapy-Redis扩展并设置了Redis的连接参数，指定了使用Redis作为队列的存储方式，并使用RedisPipeline将数据存储到Redis中。

3. 创建爬虫

进入项目目录，在命令行中运行以下命令创建一个Spider：

cd myproject
scrapy genspider example example.com

这将在spiders目录下生成一个名为example.py的Spider文件。

打开example.py文件，将其内容修改为以下代码：

import scrapy
from scrapy_redis.spiders import RedisSpider

class ExampleSpider(RedisSpider):
    name = 'example'
    allowed_domains = ['example.com']

    def parse(self, response):
        self.logger.info('Crawled (%d) %s' % (response.status, response.url))

        # 在这里编写你的解析逻辑
        # ...

        yield {
            'url': response.url,
            # ...
        }

这个Spider继承自RedisSpider，使得它能够与Scrapy-Redis扩展配合工作。在parse函数中，你可以编写你的解析逻辑，解析页面中的数据。

4. 启动爬虫节点

在命令行中运行以下命令启动爬虫节点：

scrapy crawl example

此时，爬虫节点会连接到Redis队列，并开始从队列中获取任务并执行。

5. 添加任务到队列

最后，可以通过将任务添加到Redis队列来分发给爬虫节点。可以使用以下代码将任务添加到队列中：

import redis
import json

# 连接到Redis
redis_client = redis.Redis(host='localhost', port=6379)

# 添加任务到队列
task = {
    'url': 'http://www.example.com',
    # ...
}
redis_client.lpush('example:start_urls', json.dumps(task))

代码通过Redis的连接客户端redis.Redis连接到Redis服务器，并将任务封装为JSON格式的字符串，然后使用lpush()方法将任务添加到名为example:start_urls的队列中。

通过以上步骤，你就可以实现使用Scrapy框架和Scrapy-Redis扩展来实现分布式爬虫。每个爬虫节点都可以从Redis队列中获取任务，并将结果存储到Redis中，实现数据的共享和分布式爬取。

并发控制与限制请求频率

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当进行爬虫开发时，为了避免对目标网站造成过大的压力或触发反爬措施，我们通常需要对并发请求数量进行控制，并限制请求频率。

并发控制

并发控制是指控制同时发送给目标网站的请求数量，以避免对其服务器造成过大的负载。Scrapy提供了几种方式来实现并发控制：

在settings.py中设置CONCURRENT_REQUESTS参数来控制同时发送的请求数量。例如，可以将其设置为CONCURRENT_REQUESTS = 16。
```
CONCURRENT_REQUESTS = 16
```
可以使用CONCURRENT_REQUESTS_PER_DOMAIN参数来限制每个域名同时发送的请求数量。例如，可以将其设置为CONCURRENT_REQUESTS_PER_DOMAIN = 8。
```
CONCURRENT_REQUESTS_PER_DOMAIN = 8
```
还可以使用CONCURRENT_REQUESTS_PER_IP参数来限制每个IP地址同时发送的请求数量。例如，可以将其设置为CONCURRENT_REQUESTS_PER_IP = 4。
```
CONCURRENT_REQUESTS_PER_IP = 4
```

注意：在设置并发控制参数时，要根据目标网站的承受能力和自身的网络带宽来合理调整，避免给目标网站和自己带来不必要的困扰。

限制请求频率

限制请求频率是指控制发送请求的时间间隔，以避免短时间内发送过多的请求。Scrapy提供了几种方式来实现请求频率限制：

可以在Spider中使用download_delay属性来设置每个请求之间的时间间隔（单位为秒）。

class MySpider(scrapy.Spider):
    name = 'example'
    allowed_domains = ['example.com']
    start_urls = ['http://www.example.com']

    download_delay = 3  # 设置下载延迟为3秒

    def parse(self, response):
        # 解析页面数据
        pass

还可以在Spider中重写start_requests()方法，在方法中使用time.sleep()方法来控制请求的时间间隔。

import time

class MySpider(scrapy.Spider):
    name = 'example'
    allowed_domains = ['example.com']

    start_urls = ['http://www.example.com']

    def start_requests(self):
        for url in self.start_urls:
            time.sleep(3)  # 每个请求之间等待3秒
            yield scrapy.Request(url=url, callback=self.parse)

    def parse(self, response):
        # 解析页面数据
        pass