爬蟲入門——02

1. 引言

    在上一篇中，我們簡單的了解了爬蟲的工作流程，也簡單的實現了一個爬蟲，並且在文末簡單分析了目前存在的問題。這一篇博客將會對上一篇分析出的問題，給出改進方法。我們將從以下幾個方面加以改進。

2. 改進

(1) Bloom Filter

    我們首先利用Bloom Filet來改進UrlQueue中的visitedSet。

    在上一篇中，我們使用visitedSet（HashSet）來存放已經訪問過的url。之所以使用HashSet是因為我們需要不斷的插入url到visitedSet中，並且還需要頻繁地判斷某個url是否在其中，而采用Hash Table，在平均情況下，所有的字典操作在O(1)時間內都能完成（具體分析請看散列表(hash table)——算法導論(13)）。但不足之處在於我們需要花費大量的內存空間去維護hash table，我們是否可以減小它的空間復雜度呢？

    從visitedSet的作用入手，它只是用來判斷某個url是否被包含在它內部，僅此而已。因此完全沒有必要保存每個url的完整信息，保存指紋信息即可。這時我們可想到常用的md5和sha1摘要算法。但盡管對url做了壓縮，我們還是需要去保存壓縮后的信息。我們還有沒有更好的方法呢？這時，Bloom Filter就派上用場了（關於Bloom Filter的介紹及實現在散列表(hash table)——算法導論(13)中的最后一小節）。

(2) Berkeley DB

    我們再來使用Berkeley DB改進我們UrlQueue中的unvisitedList。

    Berkeley DB是一個嵌入式數據庫系統，簡單、小巧、性能高（簡單小巧沒得說，至於性能，沒驗證過）。關於Berkeley DB的下載和使用請到其官網：http://www.oracle.com/technetwork/database/database-technologies/berkeleydb/overview/index.html

    使用Berkeley DB后，我們會將從頁面解析出的url直接存入DB中，而unvisitedList只是作為從DB中取url時的緩沖池。即我們會開啟一個線程以一定的頻率從DB中讀取一定數量的url到unvisitedList中，執行頁面請求的線程還是從unvisitedList讀取url。

(3). 多線程

    最后我們引入多線程來提高爬蟲的效率。

    多線程的關鍵在於同步與通信。這些內容請自行百度。

改進后的整個結構圖如下：

3. 實現

(1) 代碼

最后我們給出改進后的代碼：

① 首先是改進后的UrlQueue.java，我們重命名為BloomQueue.java（其中的BloomFilter類，在散列表(hash table)——算法導論(13)中可找到）

public class BloomQueue<T> {

    private BloomFilter<T> bloomFilter;
    private LinkedBlockingQueue<T> visitedList;
    private AtomicInteger flowedCount;
    private int queueCapacity;

    public BloomQueue() {
        this(0.000001, 10000000, 500);
    }

    public BloomQueue(double falsePositiveProbability, int filterCapacity, int queueCapacity) {
        this.queueCapacity = queueCapacity;
        bloomFilter = new BloomFilter<>(falsePositiveProbability, filterCapacity);
        visitedList = new LinkedBlockingQueue<>(queueCapacity);
        flowedCount = new AtomicInteger(0);
    }

    /**
     * 入隊(當無法入隊時，默認阻塞3秒)
     * 
     * @param t
     * @return
     */
    public boolean enqueue(T t) {
        return enqueue(t, 3000);
    }

    /**
     * 入隊
     * 
     * @param t
     * @param timeout
     *            單位為毫秒
     */
    public boolean enqueue(T t, long timeout) {
        try {
            boolean result = visitedList.offer(t, timeout, TimeUnit.MILLISECONDS);
            if (result) {
                bloomFilter.add(t);
                flowedCount.getAndIncrement();
            }
            return result;
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return false;
    }

    /**
     * 出隊(當隊列為空時，默認會阻塞3秒)
     * 
     * @return
     */
    public T dequeue() {
        return dequeue(3000);
    }

    /**
     * 出隊
     * 
     * @param timeout
     *            單位為毫秒
     * @return
     */
    public T dequeue(long timeout) {
        try {
            return visitedList.poll(timeout, TimeUnit.MILLISECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        return null;
    }

    /**
     * 當前是否包含
     * 
     * @return
     */
    public boolean contains(T t) {
        return visitedList.contains(t);
    }

    /**
     * 曾經是否包含
     * 
     * @param t
     * @return
     */
    public boolean contained(T t) {
        return bloomFilter.contains(t);
    }

    public boolean isEmpty() {
        return visitedList.isEmpty();
    }

    public boolean isFull() {
        return visitedList.size() == queueCapacity;
    }

    public int size() {
        return visitedList.size();
    }

    public int flowedCount() {
        return flowedCount.get();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return visitedList.toString();
    }
}

② 然后我們對Berkeley DB做一個簡單的封裝，便於使用。

public class DBHelper<T> {

    public static final String DEFAULT_DB_DIR = "C:/Users/Administrator/Desktop/db/";
    public static final String DEFAULT_Entity_Store = "EntityStore";

    public Environment myEnv;
    public EntityStore store;
    public PrimaryIndex<Long, T> primaryIndex;

    public DBHelper(Class<T> clazz) {
        this(clazz, DEFAULT_DB_DIR, DEFAULT_Entity_Store, false);
    }

    public DBHelper(Class<T> clazz, String dbDir, String storeName, boolean isRead) {
        File dir = new File(dbDir);
        if (!dir.exists()) {
            dir.mkdirs();
        }
        EnvironmentConfig envConfig = new EnvironmentConfig();
        envConfig.setAllowCreate(!isRead);
        // Environment
        myEnv = new Environment(dir, envConfig);
        // StoreConfig
        StoreConfig storeConfig = new StoreConfig();
        storeConfig.setAllowCreate(!isRead);
        // store
        store = new EntityStore(myEnv, storeName, storeConfig);
        // PrimaryIndex
        primaryIndex = store.getPrimaryIndex(Long.class, clazz);
    }

    public void put(T t) {
        primaryIndex.put(t);
        store.sync();
        myEnv.sync();
    }

    public EntityCursor<T> entities() {
        return primaryIndex.entities();
    }

    public T get(long key) {
        return primaryIndex.get(key);
    }

    public void close() {
        if (store != null) {
            store.close();
        }
        if (myEnv != null) {
            myEnv.cleanLog();
            myEnv.close();
        }
    }
}

③ 接着我們寫一個url的entity，便於存儲。

import com.sleepycat.persist.model.Entity;
import com.sleepycat.persist.model.PrimaryKey;

@Entity
public class Url {

    @PrimaryKey(sequence = "Sequence_Namespace")
    private long id;
    private String url;

    public Url() {
    }

    public Url(String url) {
        super();
        this.url = url;
    }

    public long getId() {
        return id;
    }

    public void setId(long id) {
        this.id = id;
    }

    public String getUrl() {
        return url;
    }

    public void setUrl(String url) {
        this.url = url;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return url;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return url == null || url.isEmpty();
    }
}

④最后是我們的核心類CrawlerEngine。該類有兩個內部類：Feeder和Fetcher。Feeder意為飼養員、進料器，負責向urlQueue中添加url；Fetcher意為抓取者，負責從urlQueue中取出url，進行請求，解析。其中用到的JsoupDownLoader類和上一篇一樣，保持不變。

public class CrawlerEngine {

    public static final String DEFAULT_SAVE_DIR = "C:/Users/Administrator/Desktop/html/";
    private static final long FEEDER_SLEEP_TIME = 10;
    private static final long FEEDER_MAX_WAIT_TIME = 3 * 1000;// 當DB中取不到url時，feeder最長等待時間（即如果等待該時間后，DB還是為空，則feeder結束工作）
    private static final int FEEDER_MAX_WAIT_COUNT = (int) (FEEDER_MAX_WAIT_TIME / FEEDER_SLEEP_TIME);// 當DB中取不到url時，feeder最長等待時間（即如果等待該時間后，DB還是為空，則feeder結束工作）
    private static final boolean LOG = false;

    private BloomQueue<Url> urlQueue;
    private ExecutorService fetcherPool;
    private int fetcherCount;
    private boolean running;
    private DBHelper<Url> dbHelper;
    private JsoupDownloader downloader;
    private String parseRegex;
    private String saveRegex;
    private String saveDir;
    private String saveName;
    private long maxCount = 1000;
    private long startTime;
    private long endTime = Long.MAX_VALUE;

    public CrawlerEngine() {
        this(20, DEFAULT_SAVE_DIR, null);
    }

    public CrawlerEngine(int fetcherCount, String saveDir, String saveName) {
        this.fetcherCount = fetcherCount;
        urlQueue = new BloomQueue<>();
        fetcherPool = Executors.newFixedThreadPool(fetcherCount);
        dbHelper = new DBHelper<>(Url.class);
        downloader = JsoupDownloader.getInstance();
        this.saveDir = saveDir;
        this.saveName = saveName;
    }

    public void startUp(String[] seeds) {
        if (running) {
            return;
        }
        running = true;
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (String seed : seeds) {
            Url url = new Url(seed);
            urlQueue.enqueue(url);
        }
        for (int i = 0; i < fetcherCount; i++) {
            fetcherPool.execute(new Fetcher());
        }
        new Feeder().start();
    }

    public void shutdownNow() {
        running = false;
        fetcherPool.shutdown();
    }

    public void shutdownAtTime(long time) {
        if (time > startTime) {
            endTime = time;
        }
    }

    public void shutdownDelayed(long delayed) {
        shutdownAtTime(startTime + delayed);
    }

    public void shutdownAtCount(long count) {
        maxCount = count;
    }

    private boolean isEnd() {
        return urlQueue.flowedCount() > maxCount || System.currentTimeMillis() > endTime;
    }

    private long currId = 1;
    private int currWaitCount;

    /**
     * 飼養員
     * <p>
     * 從DB中獲取一定數量的url到queue
     * </p>
     * 
     * @author D.K
     *
     */
    private class Feeder extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (!isEnd() && running && currWaitCount != FEEDER_MAX_WAIT_COUNT) {
                try {
                    sleep(FEEDER_SLEEP_TIME);
                    if (urlQueue.isFull()) {
                        log("Feeder", "隊列已滿");
                        continue;
                    }
                    Url url = dbHelper.get(currId);
                    if (url == null) {
                        currWaitCount++;
                        log("Feeder", "url為null，currWaitCount = " + currWaitCount);
                    } else {
                        while (urlQueue.contained(url)) {
                            currId++;
                            url = dbHelper.get(currId);
                        }
                        if (url != null) {
                            log("Feeder", "url准備入隊");
                            urlQueue.enqueue(url);
                            currId++;
                            log("Feeder", "url已經入隊，currId = " + currId);
                            currWaitCount = 0;
                        }
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log("Feeder", "執行結束...");
            while (true) {
                try {
                    sleep(100);
                    log("Feeder", "等待Fetcher結束...");
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                if (urlQueue.isEmpty()) {
                    shutdownNow();
                    System.out.println(">>>>>>>>>>>>爬取結束，共請求了" + urlQueue.flowedCount() + "個頁面，用時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒<<<<<<<<<<<<");
                    return;
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 抓取者
     * <p>
     * 從queue中取出url，下載頁面，解析頁面，並把解析出的新的url添加到DB中
     * </p>
     * 
     * @author D.K
     *
     */
    private class Fetcher implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            while (!isEnd() && (running || !urlQueue.isEmpty())) {
                log("Fetcher", "開始從隊列獲取url，size=" + urlQueue.size());
                Url url = urlQueue.dequeue();
                if (url == null) {
                    log("Fetcher", "url為null");
                    continue;
                }
                log("Fetcher", "取出了url");
                Document doc = downloader.downloadPage(url.getUrl());
                Set<String> urlSet = downloader.parsePage(doc, parseRegex);
                downloader.savePage(doc, saveDir, saveName, saveRegex);
                for (String str : urlSet) {
                    Url u = new Url(str);
                    if (!urlQueue.contained(u)) {
                        dbHelper.put(u);
                    }
                }
            }
        }
    }

    private void log(String talker, String content) {
        if (LOG) {
            System.out.println("[" + talker + "] " + content);
        }
    }

    public String getParseRegex() {
        return parseRegex;
    }

    public void setParseRegex(String parseRegex) {
        this.parseRegex = parseRegex;
    }

    public String getSaveRegex() {
        return saveRegex;
    }

    public void setSaveRegex(String saveRegex) {
        this.saveRegex = saveRegex;
    }

    public void setSavePath(String saveDir, String saveName) {
        this.saveDir = saveDir;
        this.saveName = saveName;
    }
}

(2) 測試

    我們采用上一篇的測試例子來做同樣的測試，以檢驗我們優化后的效果。下面是測試代碼：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CrawlerEngine crawlerEngine = new CrawlerEngine();
        crawlerEngine.setParseRegex("(http://www.cnblogs.com/artech/p|http://www.cnblogs.com/artech/default|http://www.cnblogs.com/artech/archive/\\d{4}/\\d{2}/\\d{2}/).*");
        crawlerEngine.setSaveRegex("(http://www.cnblogs.com/artech/p|http://www.cnblogs.com/artech/archive/\\d{4}/\\d{2}/\\d{2}/).*");
        crawlerEngine.startUp(new String[] { "http://www.cnblogs.com/artech/" });
        crawlerEngine.shutdownAtCount(1000);
    }
}

下面是運行結果：

(4) 總結

    對比我們上一篇中的測試時間61s，改進后用時14s，效率有明顯的提升。

    在下一篇中，我們要對整個代碼再次進行小的優化，完善一些細節，如對請求狀態碼的處理，抽取出一些接口以降低代碼之間的耦合度，增強靈活性。