爬虫框架设计

最近的一个项目是写一个爬虫框架，这个框架主要采用Master-Slave的结构，Master负责管理要爬取的Url和已经爬取过的Url，Slave可以有多个，主要负责爬取网页内容，以及对爬取下来的网页内容进行持久化的工作。整个项目用Thrift作为RPC通信框架。

1. 爬虫流程

如果是一个单机版的爬虫，其实代码非常简单：

Initialize:
    UrlsDone = ∅
    UrlsTodo = {‘‘yahoo.com/index.htm’’, ..}

Repeat:
    url = UrlsTodo.getNext()
    ip = DNSlookup( url.getHostname() )
    html = DownloadPage( ip , url.getPath() )

    UrlsDone.insert( url )
        newUrls = parseForLinks( html )

    For each newUrl
        If not UrlsDone.contains( newUrl )
        then UrlsTodo.insert( newUrl )

如果需要将UrlsDone和UrlsToDo这两个数据结构交由一个Master来管理，Master的接口可以定义成如下的：

public interface SpiderManager extends Closeable {
    /**
     * 获取一个待爬取的URL
     * @return URL
     */
    URLData poll();

    /**
     * 将一个待爬取的URL交给Manger
     */
    void offer(URLData url);

    /**
     * 将一个已经爬取的URL返回给Manager
     */
    void done(URLData url);

    /**
     * 判断一个URL是否已经爬取过
     * @param url
     * @return
     */
    boolean isDone(URLData url);

    /**
     * 已经处理过的URL数量
     */
    long doneSize();

    /**
     * 待处理的URL数量
     */
    long toDoSize();


    boolean usingAck();
}

2.分布式爬虫框架要解决的问题

上述单机的版的爬虫，在数据量不大和数据更新频率要求不高的情况下，可以很好的工作，但是当需要爬取的页面数量过多，或者网站有反爬虫限制的时候，上述代码并不能很好的工作。

例如通用的搜索爬虫需要爬取很多网页的时候，就需要多个爬虫来一起工作，这个时候各个爬虫必然要共享上述两个数据结构。

其次，现在很多网站对于爬虫都有限制，如果要是爬取的过于频繁，会被封Ip，为了应对这种情况，对应的策略是休眠一段时间，这样的话，又浪费了CPU资源。

最后，当要求实现不同的爬取策略，或者统一管理爬虫作业生命周期的时候，必然要一个Master来协调各个Slave的工作。

3. 设计实现

3.1 Master：

我们框架的主节点称为WebCrawlerMaster，针对不同的爬虫任务，WebCrawlerMaster会生成不同的WebCrawlerManager，WebCrawlerManger的功能是管理UrlsToDo和UrlsDone两个数据结构。Master主要的功能是管理WebCrawlerManager的实例，并且将不同的请求路由到对应的WebCrawlerManager上去。

爬虫框架设计

对于Master来说，最主要的组件是一个叫做MetaDataHolder的成员，它主要用来管理元数据信息。为了加强系统的健壮性，这部分信息是一定需要持久化的，至于持久化的选择，可以是Redis，或者关系型数据库，甚至写文件都可以。如果用Mysql来做持久化的工作，则需要做应用层的cache（通常用一个HashMap来实现）。

3.2 数据结构

对于一个CrawlManager，它主要管理两个数据结构UrlToDo，和UrlDone，前者可以抽象成一个链表，栈或者有优先级的队列，后者对外的表现是一个Set，做去重的工作。当定义出ADT(abstract data type)以后，则可以考虑出怎么样的去实现这个数据结构。这样的设计方法其实和实现一个数据结构是一样的，只不过当我们实现数据结构的时候，操作的对象是内存中的数组和列表，而在这个项目中，我们操作的对象是各种存储中提供给我们的功能，例如Redis中的List、Set，关系型数据库中的表等等。

4. 后记

这次的爬虫框架，从最开始的伪代码来看，是很简单的事情，但是一旦涉及到分布式的环境和系统的可扩展性，要真的实现起来，还是需要考虑到一些额外的东西，例如并发状态下共享数据结构的读写、系统的高可用等等，但是我觉得这个项目真正让我满意的地方，是通过合理的数据结构行为层面的抽象，让这个爬虫系统有着很强的扩展性。例如现在默认的UrlToDo是一个FIFO的队列，这样的话，爬虫实际上是按照BSF的策略去爬取的。但是当UrlToDo配置成一个LIFO的stack以后，爬虫实际上按照DSF的策略去爬取的，而这样的变化，只需要的更改一下请求新的WebCrawlerManager的参数，爬虫的业务代码并不需要任何的修改。

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