Python爬虫的基本原理#2

简介: 摘要:爬虫基本原理、会话和Cookie详解【2月更文挑战第8天】

我们可以把互联网比作一张大网,而爬虫(即网络爬虫)便是在网上爬行的蜘蛛。把网的节点比作一个个网页,爬虫爬到这就相当于访问了该页面,获取了其信息。可以把节点间的连线比作网页与网页之间的链接关系,这样蜘蛛通过一个节点后,可以顺着节点连线继续爬行到达下一个节点,即通过一个网页继续获取后续的网页,这样整个网的节点便可以被蜘蛛全部爬行到,网站的数据就可以被抓取下来了。

爬虫概述

简单来说,爬虫就是获取网页并提取和保存信息的自动化程序,下面概要介绍一下。

1. 获取网页

爬虫首先要做的工作就是获取网页,这里就是获取网页的源代码。源代码里包含了网页的部分有用信息,所以只要把源代码获取下来,就可以从中提取想要的信息了。

前面讲了请求和响应的概念,向网站的服务器发送一个请求,返回的响应体便是网页源代码。所以,最关键的部分就是构造一个请求并发送给服务器,然后接收到响应并将其解析出来,那么这个流程怎样实现呢?总不能手工去截取网页源码吧?

不用担心,Python 提供了许多库来帮助我们实现这个操作,如 urllib、requests 等。我们可以用这些库来帮助我们实现 HTTP 请求操作,请求和响应都可以用类库提供的数据结构来表示,得到响应之后只需要解析数据结构中的 Body 部分即可,即得到网页的源代码,这样我们可以用程序来实现获取网页的过程了。

2. 提取信息

获取网页源代码后,接下来就是分析网页源代码,从中提取我们想要的数据。首先,最通用的方法便是采用正则表达式提取,这是一个万能的方法,但是在构造正则表达式时比较复杂且容易出错。

另外,由于网页的结构有一定的规则,所以还有一些根据网页节点属性、CSS 选择器或 XPath 来提取网页信息的库,如 Beautiful Soup、pyquery、lxml 等。使用这些库,我们可以高效快速地从中提取网页信息,如节点的属性、文本值等。

提取信息是爬虫非常重要的部分,它可以使杂乱的数据变得条理清晰,以便我们后续处理和分析数据。

3. 保存数据

提取信息后,我们一般会将提取到的数据保存到某处以便后续使用。这里保存形式有多种多样,如可以简单保存为 TXT 文本或 JSON 文本,也可以保存到数据库,如 MySQL 和 MongoDB 等,也可保存至远程服务器,如借助 SFTP 进行操作等。

4. 自动化程序

说到自动化程序,意思是说爬虫可以代替人来完成这些操作。首先,我们手工当然可以提取这些信息,但是当量特别大或者想快速获取大量数据的话,肯定还是要借助程序。爬虫就是代替我们来完成这份爬取工作的自动化程序,它可以在抓取过程中进行各种异常处理、错误重试等操作,确保爬取持续高效地运行。

能抓怎样的数据

在网页中我们能看到各种各样的信息,最常见的便是常规网页,它们对应着 HTML 代码,而最常抓取的便是 HTML 源代码。

另外,可能有些网页返回的不是 HTML 代码,而是一个 JSON 字符串(其中 API 接口大多采用这样的形式),这种格式的数据方便传输和解析,它们同样可以抓取,而且数据提取更加方便。

此外,我们还可以看到各种二进制数据,如图片、视频和音频等。利用爬虫,我们可以将这些二进制数据抓取下来,然后保存成对应的文件名。

另外,还可以看到各种扩展名的文件,如 CSS、JavaScript 和配置文件等,这些其实也是最普通的文件,只要在浏览器里面可以访问到,就可以将其抓取下来。

上述内容其实都对应各自的 URL,是基于 HTTP 或 HTTPS 协议的,只要是这种数据,爬虫都可以抓取。

JavaScript 渲染页面

有时候,我们在用 urllib 或 requests 抓取网页时,得到的源代码实际和浏览器中看到的不一样。

这是一个非常常见的问题。现在网页越来越多地采用 Ajax、前端模块化工具来构建,整个网页可能都是由 JavaScript 渲染出来的,也就是说原始的 HTML 代码就是一个空壳,例如:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>This is a Demo</title>
</head>
<body>
<div id="container">
</div>
</body>
<script src="app.js"></script>
</html>

image.gif

body 节点里面只有一个 id 为 container 的节点,但是需要注意在 body 节点后引入了 app.js,它便负责整个网站的渲染。

在浏览器中打开这个页面时,首先会加载这个 HTML 内容,接着浏览器会发现其中引入了一个 app.js 文件,然后便会接着去请求这个文件,获取到该文件后,便会执行其中的 JavaScript 代码,而 JavaScript 则会改变 HTML 中的节点,向其添加内容,最后得到完整的页面。

但是在用 urllib 或 requests 等库请求当前页面时,我们得到的只是这个 HTML 代码,它不会帮助我们去继续加载这个 JavaScript 文件,这样也就看不到浏览器中的内容了。

这也解释了为什么有时我们得到的源代码和浏览器中看到的不一样。

因此,使用基本 HTTP 请求库得到的源代码可能跟浏览器中的页面源代码不太一样。对于这样的情况,我们可以分析其后台 Ajax 接口,也可使用 Selenium、Splash 这样的库来实现模拟 JavaScript 渲染。

会话和 Cookies

在浏览网站的过程中,我们经常会遇到需要登录的情况,有些页面只有登录之后才可以访问,而且登录之后可以连续访问很多次网站,但是有时候过一段时间就需要重新登录。还有一些网站,在打开浏览器时就自动登录了,而且很长时间都不会失效,这种情况又是为什么?其实这里面涉及会话(Session)和 Cookies 的相关知识,本节就来揭开它们的神秘面纱。

静态网页和动态网页

在开始之前,我们需要先了解一下静态网页和动态网页的概念。这里还是前面的示例代码,内容如下:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>This is a Demo</title>
</head>
<body>
<div id="container">
<div class="wrapper">
<h2 class="title">Hello World</h2>
<p class="text">Hello, this is a paragraph.</p>
</div>
</div>
</body>
</html>

image.gif

这是最基本的 HTML 代码,我们将其保存为一个 .html 文件,然后把它放在某台具有固定公网 IP 的主机上,主机上装上 Apache 或 Nginx 等服务器,这样这台主机就可以作为服务器了,其他人便可以通过访问服务器看到这个页面,这就搭建了一个最简单的网站。

这种网页的内容是 HTML 代码编写的,文字、图片等内容均通过写好的 HTML 代码来指定,这种页面叫作静态网页。它加载速度快,编写简单,但是存在很大的缺陷,如可维护性差,不能根据 URL 灵活多变地显示内容等。例如,我们想要给这个网页的 URL 传入一个 name 参数,让其在网页中显示出来,是无法做到的。

因此,动态网页应运而生,它可以动态解析 URL 中参数的变化,关联数据库并动态呈现不同的页面内容,非常灵活多变。我们现在遇到的大多数网站都是动态网站,它们不再是一个简单的 HTML,而是可能由 JSP、PHP、Python 等语言编写的,其功能比静态网页强大和丰富太多了。

此外,动态网站还可以实现用户登录和注册的功能。再回到开头提到的问题,很多页面是需要登录之后才可以查看的。按照一般的逻辑来说,输入用户名和密码登录之后,肯定是拿到了一种类似凭证的东西,有了它,我们才能保持登录状态,才能访问登录之后才能看到的页面。

那么,这种神秘的凭证到底是什么呢?其实它就是会话和 Cookies 共同产生的结果,下面我们来一探究竟。

无状态 HTTP

在了解会话和 Cookies 之前,我们还需要了解 HTTP 的一个特点,叫作无状态。

HTTP 的无状态是指 HTTP 协议对事务处理是没有记忆能力的,也就是说服务器不知道客户端是什么状态。当我们向服务器发送请求后,服务器解析此请求,然后返回对应的响应,服务器负责完成这个过程,而且这个过程是完全独立的,服务器不会记录前后状态的变化,也就是缺少状态记录。这意味着如果后续需要处理前面的信息,则必须重传,这导致需要额外传递一些前面的重复请求,才能获取后续响应,然而这种效果显然不是我们想要的。为了保持前后状态,我们肯定不能将前面的请求全部重传一次,这太浪费资源了,对于这种需要用户登录的页面来说,更是棘手。

这时两个用于保持 HTTP 连接状态的技术就出现了,它们分别是会话和 Cookies。会话在服务端,也就是网站的服务器,用来保存用户的会话信息;Cookies 在客户端,也可以理解为浏览器端,有了 Cookies,浏览器在下次访问网页时会自动附带上它发送给服务器,服务器通过识别 Cookies 并鉴定出是哪个用户,然后再判断用户是否是登录状态,然后返回对应的响应。

我们可以理解为 Cookies 里面保存了登录的凭证,有了它,只需要在下次请求携带 Cookies 发送请求而不必重新输入用户名、密码等信息重新登录了。

因此在爬虫中,有时候处理需要登录才能访问的页面时,我们一般会直接将登录成功后获取的 Cookies 放在请求头里面直接请求,而不必重新模拟登录。

好了,了解会话和 Cookies 的概念之后,我们在来详细剖析它们的原理。

会话

会话,其本来的含义是指有始有终的一系列动作 / 消息。比如,打电话时,从拿起电话拨号到挂断电话这中间的一系列过程可以称为一个会话。

而在 Web 中,会话对象用来存储特定用户会话所需的属性及配置信息。这样,当用户在应用程序的 Web 页之间跳转时,存储在会话对象中的变量将不会丢失,而是在整个用户会话中一直存在下去。当用户请求来自应用程序的 Web 页时,如果该用户还没有会话,则 Web 服务器将自动创建一个会话对象。当会话过期或被放弃后,服务器将终止该会话。

Cookies

Cookies 指某些网站为了辨别用户身份、进行会话跟踪而存储在用户本地终端上的数据。

会话维持

那么,我们怎样利用 Cookies 保持状态呢?当客户端第一次请求服务器时,服务器会返回一个响应头中带有 Set-Cookie 字段的响应给客户端,用来标记是哪一个用户,客户端浏览器会把 Cookies 保存起来。当浏览器下一次再请求该网站时,浏览器会把此 Cookies 放到请求头一起提交给服务器,Cookies 携带了会话 ID 信息,服务器检查该 Cookies 即可找到对应的会话是什么,然后再判断会话来以此来辨认用户状态。

在成功登录某个网站时,服务器会告诉客户端设置哪些 Cookies 信息,在后续访问页面时客户端会把 Cookies 发送给服务器,服务器再找到对应的会话加以判断。如果会话中的某些设置登录状态的变量是有效的,那就证明用户处于登录状态,此时返回登录之后才可以查看的网页内容,浏览器再进行解析便可以看到了。

反之,如果传给服务器的 Cookies 是无效的,或者会话已经过期了,我们将不能继续访问页面,此时可能会收到错误的响应或者跳转到登录页面重新登录。

所以,Cookies 和会话需要配合,一个处于客户端,一个处于服务端,二者共同协作,就实现了登录会话控制。

属性结构

接下来,我们来看看 Cookies 都有哪些内容。这里以知乎为例,在浏览器开发者工具中打开 Application 选项卡,然后在左侧会有一个 Storage 部分,最后一项即为 Cookies,将其点开,如图 所示,这些就是 Cookies。

Cookies 列表

image.gif 编辑

可以看到,这里有很多条目,其中每个条目可以称为 Cookie。它有如下几个属性。

  • Name,即该 Cookie 的名称。Cookie 一旦创建,名称便不可更改
  • Value,即该 Cookie 的值。如果值为 Unicode 字符,需要为字符编码。如果值为二进制数据,则需要使用 BASE64 编码。
  • Max Age,即该 Cookie 失效的时间,单位秒,也常和 Expires 一起使用,通过它可以计算出其有效时间。Max Age 如果为正数,则该 Cookie 在 Max Age 秒之后失效。如果为负数,则关闭浏览器时 Cookie 即失效,浏览器也不会以任何形式保存该 Cookie。
  • Path,即该 Cookie 的使用路径。如果设置为 /path/,则只有路径为 /path/ 的页面可以访问该 Cookie。如果设置为 /,则本域名下的所有页面都可以访问该 Cookie。
  • Domain,即可以访问该 Cookie 的域名。例如如果设置为 .zhihu.com,则所有以 zhihu.com,结尾的域名都可以访问该 Cookie。
  • Size 字段,即此 Cookie 的大小。
  • Http 字段,即 Cookie 的 httponly 属性。若此属性为 true,则只有在 HTTP Headers 中会带有此 Cookie 的信息,而不能通过 document.cookie 来访问此 Cookie。
  • Secure,即该 Cookie 是否仅被使用安全协议传输。安全协议。安全协议有 HTTPS,SSL 等,在网络上传输数据之前先将数据加密。默认为 false。
会话 Cookie 和持久 Cookie

从表面意思来说,会话 Cookie 就是把 Cookie 放在浏览器内存里,浏览器在关闭之后该 Cookie 即失效;持久 Cookie 则会保存到客户端的硬盘中,下次还可以继续使用,用于长久保持用户登录状态。

其实严格来说,没有会话 Cookie 和持久 Cookie 之 分,只是由 Cookie 的 Max Age 或 Expires 字段决定了过期的时间。

因此,一些持久化登录的网站其实就是把 Cookie 的有效时间和会话有效期设置得比较长,下次我们再访问页面时仍然携带之前的 Cookie,就可以直接保持登录状态。

常见误区

在谈论会话机制的时候,常常听到这样一种误解 ——“只要关闭浏览器,会话就消失了”。可以想象一下会员卡的例子,除非顾客主动对店家提出销卡,否则店家绝对不会轻易删除顾客的资料。对会话来说,也是一样,除非程序通知服务器删除一个会话,否则服务器会一直保留。比如,程序一般都是在我们做注销操作时才去删除会话。

但是当我们关闭浏览器时,浏览器不会主动在关闭之前通知服务器它将要关闭,所以服务器根本不会有机会知道浏览器已经关闭。之所以会有这种错觉,是因为大部分会话机制都使用会话 Cookie 来保存会话 ID 信息,而关闭浏览器后 Cookies 就消失了,再次连接服务器时,也就无法找到原来的会话了。如果服务器设置的 Cookies 保存到硬盘上,或者使用某种手段改写浏览器发出的 HTTP 请求头,把原来的 Cookies 发送给服务器,则再次打开浏览器,仍然能够找到原来的会话 ID,依旧还是可以保持登录状态的。

而且恰恰是由于关闭浏览器不会导致会话被删除,这就需要服务器为会话设置一个失效时间,当距离客户端上一次使用会话的时间超过这个失效时间时,服务器就可以认为客户端已经停止了活动,才会把会话删除以节省存储空间。

由于涉及到一些专业名词知识,本节的部分内容参考来源如下:


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