第三百五十八节，Python分布式爬虫打造搜索引擎Scrapy精讲—将bloomfilter(布隆过滤器)集成到scrapy-redis中

Posted 2020-10-04

第三百五十八节，Python分布式爬虫打造搜索引擎Scrapy精讲—将bloomfilter(布隆过滤器)集成到scrapy-redis中，判断URL是否重复

 

布隆过滤器(Bloom Filter)详解

 

基本概念

如果想判断一个元素是不是在一个集合里，一般想到的是将所有元素保存起来，然后通过比较确定。链表，树等等数据结构都是这种思路. 但是随着集合中元素的增加，我们需要的存储空间越来越大，检索速度也越来越慢。不过世界上还有一种叫作散列表（又叫哈希表，Hash table）的数据结构。它可以通过一个Hash函数将一个元素映射成一个位阵列（Bit Array）中的一个点。这样一来，我们只要看看这个点是不是 1 就知道可以集合中有没有它了。这就是布隆过滤器的基本思想。

Hash面临的问题就是冲突。假设 Hash 函数是良好的，如果我们的位阵列长度为 m 个点，那么如果我们想将冲突率降低到例如 1%, 这个散列表就只能容纳 m/100 个元素。显然这就不叫空间有效了（Space-efficient）。解决方法也简单，就是使用多个 Hash，如果它们有一个说元素不在集合中，那肯定就不在。如果它们都说在，虽然也有一定可能性它们在说谎，不过直觉上判断这种事情的概率是比较低的。

 

优点

相比于其它的数据结构，布隆过滤器在空间和时间方面都有巨大的优势。布隆过滤器存储空间和插入/查询时间都是常数。另外, Hash 函数相互之间没有关系，方便由硬件并行实现。布隆过滤器不需要存储元素本身，在某些对保密要求非常严格的场合有优势。

布隆过滤器可以表示全集，其它任何数据结构都不能；

k 和 m 相同，使用同一组 Hash 函数的两个布隆过滤器的交并差运算可以使用位操作进行。

 

缺点

但是布隆过滤器的缺点和优点一样明显。误算率（False Positive）是其中之一。随着存入的元素数量增加，误算率随之增加。但是如果元素数量太少，则使用散列表足矣。

另外，一般情况下不能从布隆过滤器中删除元素. 我们很容易想到把位列阵变成整数数组，每插入一个元素相应的计数器加1, 这样删除元素时将计数器减掉就可以了。然而要保证安全的删除元素并非如此简单。首先我们必须保证删除的元素的确在布隆过滤器里面. 这一点单凭这个过滤器是无法保证的。另外计数器回绕也会造成问题。

 

 

python 基于redis实现的bloomfilter(布隆过滤器)，BloomFilter_imooc

BloomFilter_imooc下载

下载地址：https://github.com/liyaopinner/BloomFilter_imooc

依赖关系：　

　　python 基于redis实现的bloomfilter

　　依赖mmh3

　　安装依赖包：

　　pip install mmh3

 

1、安装好BloomFilter_imooc所需要的依赖

2、将下载的BloomFilter_imooc包解压后，将里面的py_bloomfilter.py文件复制到scrapy工程目录

py_bloomfilter.py(布隆过滤器)源码

import mmh3
import redis
import math
import time


class PyBloomFilter():
    #内置100个随机种子
    SEEDS = [543, 460, 171, 876, 796, 607, 650, 81, 837, 545, 591, 946, 846, 521, 913, 636, 878, 735, 414, 372,
             344, 324, 223, 180, 327, 891, 798, 933, 493, 293, 836, 10, 6, 544, 924, 849, 438, 41, 862, 648, 338,
             465, 562, 693, 979, 52, 763, 103, 387, 374, 349, 94, 384, 680, 574, 480, 307, 580, 71, 535, 300, 53,
             481, 519, 644, 219, 686, 236, 424, 326, 244, 212, 909, 202, 951, 56, 812, 901, 926, 250, 507, 739, 371,
             63, 584, 154, 7, 284, 617, 332, 472, 140, 605, 262, 355, 526, 647, 923, 199, 518]

    #capacity是预先估计要去重的数量
    #error_rate表示错误率
    #conn表示redis的连接客户端
    #key表示在redis中的键的名字前缀
    def __init__(self, capacity=1000000000, error_rate=0.00000001, conn=None, key=‘BloomFilter‘):
        self.m = math.ceil(capacity*math.log2(math.e)*math.log2(1/error_rate))      #需要的总bit位数
        self.k = math.ceil(math.log1p(2)*self.m/capacity)                           #需要最少的hash次数
        self.mem = math.ceil(self.m/8/1024/1024)                                    #需要的多少M内存
        self.blocknum = math.ceil(self.mem/512)                                     #需要多少个512M的内存块,value的第一个字符必须是ascii码，所有最多有256个内存块
        self.seeds = self.SEEDS[0:self.k]
        self.key = key
        self.N = 2**31-1
        self.redis = conn
        # print(self.mem)
        # print(self.k)

    def add(self, value):
        name = self.key + "_" + str(ord(value[0])%self.blocknum)
        hashs = self.get_hashs(value)
        for hash in hashs:
            self.redis.setbit(name, hash, 1)

    def is_exist(self, value):
        name = self.key + "_" + str(ord(value[0])%self.blocknum)
        hashs = self.get_hashs(value)
        exist = True
        for hash in hashs:
            exist = exist & self.redis.getbit(name, hash)
        return exist

    def get_hashs(self, value):
        hashs = list()
        for seed in self.seeds:
            hash = mmh3.hash(value, seed)
            if hash >= 0:
                hashs.append(hash)
            else:
                hashs.append(self.N - hash)
        return hashs


pool = redis.ConnectionPool(host=‘127.0.0.1‘, port=6379, db=0)
conn = redis.StrictRedis(connection_pool=pool)

# 使用方法
# if __name__ == "__main__":
#     bf = PyBloomFilter(conn=conn)           # 利用连接池连接Redis
#     bf.add(‘www.jobbole.com‘)               # 向Redis默认的通道添加一个域名
#     bf.add(‘www.luyin.org‘)                 # 向Redis默认的通道添加一个域名
#     print(bf.is_exist(‘www.zhihu.com‘))     # 打印此域名在通道里是否存在，存在返回1，不存在返回0
#     print(bf.is_exist(‘www.luyin.org‘))     # 打印此域名在通道里是否存在，存在返回1，不存在返回0

 

 

将py_bloomfilter.py(布隆过滤器)集成到scrapy-redis中的dupefilter.py去重器中，使其抓取过的URL不添加到下载器，没抓取过的URL添加到下载器

 

scrapy-redis中的dupefilter.py去重器修改

import logging
import time

from scrapy.dupefilters import BaseDupeFilter
from scrapy.utils.request import request_fingerprint

from . import defaults
from .connection import get_redis_from_settings
from bloomfilter.py_bloomfilter import conn,PyBloomFilter   #导入布隆过滤器

logger = logging.getLogger(__name__)


# TODO: Rename class to RedisDupeFilter.
class RFPDupeFilter(BaseDupeFilter):
    """Redis-based request duplicates filter.

    This class can also be used with default Scrapy‘s scheduler.

    """

    logger = logger

    def __init__(self, server, key, debug=False):
        """Initialize the duplicates filter.

        Parameters
        ----------
        server : redis.StrictRedis
            The redis server instance.
        key : str
            Redis key Where to store fingerprints.
        debug : bool, optional
            Whether to log filtered requests.

        """
        self.server = server
        self.key = key
        self.debug = debug
        self.logdupes = True

        # 集成布隆过滤器
        self.bf = PyBloomFilter(conn=conn, key=key)     # 利用连接池连接Redis

    @classmethod
    def from_settings(cls, settings):
        """Returns an instance from given settings.

        This uses by default the key ``dupefilter:<timestamp>``. When using the
        ``scrapy_redis.scheduler.Scheduler`` class, this method is not used as
        it needs to pass the spider name in the key.

        Parameters
        ----------
        settings : scrapy.settings.Settings

        Returns
        -------
        RFPDupeFilter
            A RFPDupeFilter instance.


        """
        server = get_redis_from_settings(settings)
        # XXX: This creates one-time key. needed to support to use this
        # class as standalone dupefilter with scrapy‘s default scheduler
        # if scrapy passes spider on open() method this wouldn‘t be needed
        # TODO: Use SCRAPY_JOB env as default and fallback to timestamp.
        key = defaults.DUPEFILTER_KEY % {‘timestamp‘: int(time.time())}
        debug = settings.getbool(‘DUPEFILTER_DEBUG‘)
        return cls(server, key=key, debug=debug)

    @classmethod
    def from_crawler(cls, crawler):
        """Returns instance from crawler.

        Parameters
        ----------
        crawler : scrapy.crawler.Crawler

        Returns
        -------
        RFPDupeFilter
            Instance of RFPDupeFilter.

        """
        return cls.from_settings(crawler.settings)

    def request_seen(self, request):
        """Returns True if request was already seen.

        Parameters
        ----------
        request : scrapy.http.Request

        Returns
        -------
        bool

        """
        fp = self.request_fingerprint(request)

        # 集成布隆过滤器
        if self.bf.is_exist(fp):    # 判断如果域名在Redis里存在
            return True
        else:
            self.bf.add(fp)         # 如果不存在，将域名添加到Redis
            return False

        # This returns the number of values added, zero if already exists.
        # added = self.server.sadd(self.key, fp)
        # return added == 0

    def request_fingerprint(self, request):
        """Returns a fingerprint for a given request.

        Parameters
        ----------
        request : scrapy.http.Request

        Returns
        -------
        str

        """
        return request_fingerprint(request)

    def close(self, reason=‘‘):
        """Delete data on close. Called by Scrapy‘s scheduler.

        Parameters
        ----------
        reason : str, optional

        """
        self.clear()

    def clear(self):
        """Clears fingerprints data."""
        self.server.delete(self.key)

    def log(self, request, spider):
        """Logs given request.

        Parameters
        ----------
        request : scrapy.http.Request
        spider : scrapy.spiders.Spider

        """
        if self.debug:
            msg = "Filtered duplicate request: %(request)s"
            self.logger.debug(msg, {‘request‘: request}, extra={‘spider‘: spider})
        elif self.logdupes:
            msg = ("Filtered duplicate request %(request)s"
                   " - no more duplicates will be shown"
                   " (see DUPEFILTER_DEBUG to show all duplicates)")
            self.logger.debug(msg, {‘request‘: request}, extra={‘spider‘: spider})
            self.logdupes = False

 

 

爬虫文件

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf8 -*-

from scrapy_redis.spiders import RedisCrawlSpider    # 导入scrapy_redis里的RedisCrawlSpider类
import scrapy
from scrapy.linkextractors import LinkExtractor
from scrapy.spiders import Rule


class jobboleSpider(RedisCrawlSpider):               # 自定义爬虫类,继承RedisSpider类
    name = ‘jobbole‘                                 # 设置爬虫名称
    allowed_domains = [‘www.luyin.org‘]              # 爬取域名
    redis_key = ‘jobbole:start_urls‘                 # 向redis设置一个名称储存url

    rules = (
        # 配置抓取列表页规则
        # Rule(LinkExtractor(allow=(‘ggwa/.*‘)), follow=True),

        # 配置抓取内容页规则
        Rule(LinkExtractor(allow=(‘.*‘)), callback=‘parse_job‘, follow=True),
    )


    def parse_job(self, response):  # 回调函数，注意：因为CrawlS模板的源码创建了parse回调函数，所以切记我们不能创建parse名称的函数
        # 利用ItemLoader类，加载items容器类填充数据
        neir = response.css(‘title::text‘).extract()
        print(neir)

启动爬虫 scrapy crawl jobbole

cd 到redis安装目录执行命令：redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6379  连接redis客户端

连接redis客户端后执行命令：lpush jobbole:start_urls http://www.luyin.org  向redis添加一个爬虫起始url

开始爬取

 

redis状态说明：