《用Python写网络爬虫》——1.4 编写第一个网络爬虫

本节书摘来自异步社区《用Python写网络爬虫》一书中的第1章，第1.4节，作者 [澳]Richard Lawson（理查德 劳森），李斌 译，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

1.4 编写第一个网络爬虫

为了抓取网站，我们首先需要下载包含有感兴趣数据的网页，该过程一般被称为爬取（crawling）。爬取一个网站有很多种方法，而选用哪种方法更加合适，则取决于目标网站的结构。本章中，首先会探讨如何安全地下载网页，然后会介绍如下3种爬取网站的常见方法：

爬取网站地图；

遍历每个网页的数据库ID；

跟踪网页链接。

1.4.1 下载网页

要想爬取网页，我们首先需要将其下载下来。下面的示例脚本使用Python的urllib2模块下载URL。

    import urllib2
    def download(url):
        return urllib2.urlopen(url).read()

当传入URL参数时，该函数将会下载网页并返回其HTML。不过，这个代码片段存在一个问题，即当下载网页时，我们可能会遇到一些无法控制的错误，比如请求的页面可能不存在。此时，urllib2会抛出异常，然后退出脚本。安全起见，下面再给出一个更健壮的版本，可以捕获这些异常。

    import urllib2

    def download(url):
        print 'Downloading:', url
        try:
            html = urllib2.urlopen(url).read()
        except urllib2.URLError as e:
            print 'Download error:', e.reason
            html = None
        return html

现在，当出现下载错误时，该函数能够捕获到异常，然后返回None。

1．重试下载

下载时遇到的错误经常是临时性的，比如服务器过载时返回的503 Service Unavailable错误。对于此类错误，我们可以尝试重新下载，因为这个服务器问题现在可能已解决。不过，我们不需要对所有错误都尝试重新下载。如果服务器返回的是404 Not Found这种错误，则说明该网页目前并不存在，再次尝试同样的请求一般也不会出现不同的结果。

互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force）定义了HTTP错误的完整列表，详情可参考https://tools.ietf.org/html/rfc7231#section-6 。从该文档中，我们可以了解到4xx错误发生在请求存在问题时，而5xx错误则发生在服务端存在问题时。所以，我们只需要确保download函数在发生5xx`错误时重试下载即可。下面是支持重试下载功能的新版本 代码。

    def download(url, num_retries=2):
        print 'Downloading:', url
        try:
            html = urllib2.urlopen(url).read()
        except urllib2.URLError as e:
            print 'Download error:', e.reason
            html = None
            if num_retries > 0:
                if hasattr(e, 'code') and 500 <= e.code < 600:
                    # recursively retry 5xx HTTP errors
                    return download(url, num_retries-1)
        return html

现在，当download函数遇到5xx错误码时，将会递归调用函数自身进行重试。此外，该函数还增加了一个参数，用于设定重试下载的次数，其默认值为两次。我们在这里限制网页下载的尝试次数，是因为服务器错误可能暂时还没有解决。想要测试该函数，可以尝试下载http://httpstat.us/500 ，该网址会始终返回500错误码。

>>> download('http://httpstat.us/500')
Downloading: http://httpstat.us/500
Download error: Internal Server Error
Downloading: http://httpstat.us/500
Download error: Internal Server Error
Downloading: http://httpstat.us/500
Download error: Internal Server Error

从上面的返回结果可以看出，download函数的行为和预期一致，先尝试下载网页，在接收到500错误后，又进行了两次重试才放弃。

2．设置用户代理

默认情况下，urllib2使用Python-urllib/2.7作为用户代理下载网页内容，其中2.7是Python的版本号。如果能使用可辨识的用户代理则更好，这样可以避免我们的网络爬虫碰到一些问题。此外，也许是因为曾经历过质量不佳的Python网络爬虫造成的服务器过载，一些网站还会封禁这个默认的用户代理。比如，在使用Python默认用户代理的情况下，访问http://www.meetup.com/`` ，目前会返回如图1.3所示的访问拒绝提示。

因此，为了下载更加可靠，我们需要控制用户代理的设定。下面的代码对download函数进行了修改，设定了一个默认的用户代理“wswp”（即Web Scraping with Python的首字母缩写）。

    def download(url, user_agent='wswp', num_retries=2):
        print 'Downloading:', url
        headers = {'User-agent': user_agent}
        request = urllib2.Request(url, headers=headers)
        try:
            html = urllib2.urlopen(request).read()
        except urllib2.URLError as e:
            print 'Download error:', e.reason
            html = None
            if num_retries > 0:
                if hasattr(e, 'code') and 500 <= e.code < 600:
                    # retry 5XX HTTP errors
                    return download(url, user_agent, num_retries-1)
        return html

现在，我们拥有了一个灵活的下载函数，可以在后续示例中得到复用。该函数能够捕获异常、重试下载并设置用户代理。

1.4.2 网站地图爬虫

在第一个简单的爬虫中，我们将使用示例网站robots.txt文件中发现的网站地图来下载所有网页。为了解析网站地图，我们将会使用一个简单的正则表达式，从<loc>标签中提取出URL。而在下一章中，我们将会介绍一种更加健壮的解析方法——CSS选择器。下面是该示例爬虫的代码。

    def crawl_sitemap(url):
        # download the sitemap file
        sitemap = download(url)
        # extract the sitemap links
        links = re.findall('<loc>(.*?)</loc>', sitemap)
        # download each link
        for link in links:
            html = download(link)
            # scrape html here
            # ...

现在，运行网站地图爬虫，从示例网站中下载所有国家页面。

>>> crawl_sitemap('http://example.webscraping.com/sitemap.xml')
Downloading: http://example.webscraping.com/sitemap.xml
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Afghanistan-1
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Aland-Islands-2
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Albania-3
...

可以看出，上述运行结果和我们的预期一致，不过正如前文所述，我们无法依靠Sitemap文件提供每个网页的链接。下一节中，我们将会介绍另一个简单的爬虫，该爬虫不再依赖于Sitemap文件。

1.4.3 ID遍历爬虫

本节中，我们将利用网站结构的弱点，更加轻松地访问所有内容。下面是一些示例国家的URL。

http://example.webscraping.com/view/Afghanistan-1

http://example.webscraping.com/view/Australia-2

http://example.webscraping.com/view/Brazil-3

可以看出，这些URL只在结尾处有所区别，包括国家名（作为页面别名）和ID。在URL中包含页面别名是非常普遍的做法，可以对搜索引擎优化起到帮助作用。一般情况下，Web服务器会忽略这个字符串，只使用ID来匹配数据库中的相关记录。下面我们将其移除，加载http://example. webscraping.com/view/1，测试示例网站中的链接是否仍然可用。测试结果如图1.4所示。

从图1.4中可以看出，网页依然可以加载成功，也就是说该方法是有用的。现在，我们就可以忽略页面别名，只遍历ID来下载所有国家的页面。下面是使用了该技巧的代码片段。

    import itertools
    for page in itertools.count(1):
        url = 'http://example.webscraping.com/view/-%d' % page
        html = download(url)
        if html is None:
            break
        else:
            # success - can scrape the result
            pass

在这段代码中，我们对ID进行遍历，直到出现下载错误时停止，我们假设此时已到达最后一个国家的页面。不过，这种实现方式存在一个缺陷，那就是某些记录可能已被删除，数据库ID之间并不是连续的。此时，只要访问到某个间隔点，爬虫就会立即退出。下面是这段代码的改进版本，在该版本中连续发生多次下载错误后才会退出程序。

    # maximum number of consecutive download errors allowed
    max_errors = 5
    # current number of consecutive download errors
    num_errors = 0
    for page in itertools.count(1):
        url = 'http://example.webscraping.com/view/-%d' % page
        html = download(url)
        if html is None:
            # received an error trying to download this webpage
            num_errors += 1
            if num_errors == max_errors:
                # reached maximum number of
                # consecutive errors so exit
                break
        else:
            # success - can scrape the result
            # ...
            num_errors = 0

上面代码中实现的爬虫需要连续5次下载错误才会停止遍历，这样就很大程度上降低了遇到被删除记录时过早停止遍历的风险。

在爬取网站时，遍历ID是一个很便捷的方法，但是和网站地图爬虫一样，这种方法也无法保证始终可用。比如，一些网站会检查页面别名是否满足预期，如果不是，则会返回404 Not Found错误。而另一些网站则会使用非连续大数作为ID，或是不使用数值作为ID，此时遍历就难以发挥其作用了。例如，Amazon使用ISBN作为图书ID，这种编码包含至少10位数字。使用ID对Amazon的图书进行遍历需要测试数十亿次，因此这种方法肯定不是抓取该站内容最高效的方法。

1.4.4 链接爬虫

到目前为止，我们已经利用示例网站的结构特点实现了两个简单爬虫，用于下载所有的国家页面。只要这两种技术可用，就应当使用其进行爬取，因为这两种方法最小化了需要下载的网页数量。不过，对于另一些网站，我们需要让爬虫表现得更像普通用户，跟踪链接，访问感兴趣的内容。

通过跟踪所有链接的方式，我们可以很容易地下载整个网站的页面。但是，这种方法会下载大量我们并不需要的网页。例如，我们想要从一个在线论坛中抓取用户账号详情页，那么此时我们只需要下载账号页，而不需要下载讨论贴的页面。本节中的链接爬虫将使用正则表达式来确定需要下载哪些页面。下面是这段代码的初始版本。

    import re

    def link_crawler(seed_url, link_regex):
        """Crawl from the given seed URL following links matched by link_regex
        """
        crawl_queue = [seed_url]
        while crawl_queue:
            url = crawl_queue.pop()
            html = download(url)
            # filter for links matching our regular expression
            for link in get_links(html):
                if re.match(link_regex, link):
                    crawl_queue.append(link)

    def get_links(html):
        """Return a list of links from html
        """
        # a regular expression to extract all links from the webpage
        webpage_regex = re.compile('<a[^>]+href=["\'](.*?)["\']',
            re.IGNORECASE)
        # list of all links from the webpage
        return webpage_regex.findall(html)

要运行这段代码，只需要调用link_crawler函数，并传入两个参数：要爬取的网站URL和用于跟踪链接的正则表达式。对于示例网站，我们想要爬取的是国家列表索引页和国家页面。其中，索引页链接格式如下。

http://example.webscraping.com/index/1

http://example.webscraping.com/index/2

国家页链接格式如下。

http://example.webscraping.com/view/Afghanistan-1

http://example.webscraping.com/view/Aland-Islands-2

因此，我们可以用/(index|view)/这个简单的正则表达式来匹配这两类网页。当爬虫使用这些输入参数运行时会发生什么呢？你会发现我们得到了如下的下载错误。

    >>> link_crawler('http://example.webscraping.com',
        '/(index|view)')
    Downloading: http://example.webscraping.com
    Downloading: /index/1
    Traceback (most recent call last):
        ...
    ValueError: unknown url type: /index/1

可以看出，问题出在下载/index/1时，该链接只有网页的路径部分，而没有协议和服务器部分，也就是说这是一个相对链接。由于浏览器知道你正在浏览哪个网页，所以在浏览器浏览时，相对链接是能够正常工作的。但是，urllib2是无法获知上下文的。为了让urllib2能够定位网页，我们需要将链接转换为绝对链接的形式，以便包含定位网页的所有细节。如你所愿，Python中确实有用来实现这一功能的模块，该模块称为urlparse。下面是link_crawler的改进版本，使用了urlparse模块来创建绝对路径。

    import urlparse
    def link_crawler(seed_url, link_regex):
        """Crawl from the given seed URL following links matched by link_regex
        """
        crawl_queue = [seed_url]
        while crawl_queue:
            url = crawl_queue.pop()
            html = download(url)
            for link in get_links(html):
                if re.match(link_regex, link):
                    link = urlparse.urljoin(seed_url, link)
                    crawl_queue.append(link)

当你运行这段代码时，会发现虽然网页下载没有出现错误，但是同样的地点总是会被不断下载到。这是因为这些地点相互之间存在链接。比如，澳大利亚链接到了南极洲，而南极洲也存在到澳大利亚的链接，此时爬虫就会在它们之间不断循环下去。要想避免重复爬取相同的链接，我们需要记录哪些链接已经被爬取过。下面是修改后的link_crawler函数，已具备存储已发现URL的功能，可以避免重复下载。

    def link_crawler(seed_url, link_regex):
        crawl_queue = [seed_url]
        # keep track which URL's have seen before
        seen = set(crawl_queue)
        while crawl_queue:
            url = crawl_queue.pop()
            html = download(url)
            for link in get_links(html):
                # check if link matches expected regex
                if re.match(link_regex, link):
                    # form absolute link
                    link = urlparse.urljoin(seed_url, link)
                    # check if have already seen this link
                    if link not in seen:
                        seen.add(link)
                        crawl_queue.append(link)

当运行该脚本时，它会爬取所有地点，并且能够如期停止。最终，我们得到了一个可用的爬虫！
高级功能

现在，让我们为链接爬虫添加一些功能，使其在爬取其他网站时更加有用。
解析robots.txt

首先，我们需要解析robots.txt文件，以避免下载禁止爬取的URL。使用Python自带的robotparser模块，就可以轻松完成这项工作，如下面的代码所示。

>>> import robotparser
>>> rp = robotparser.RobotFileParser()
>>> rp.set_url('http://example.webscraping.com/robots.txt')
>>> rp.read()
>>> url = 'http://example.webscraping.com'
>>> user_agent = 'BadCrawler'
>>> rp.can_fetch(user_agent, url)
False
>>> user_agent = 'GoodCrawler'
>>> rp.can_fetch(user_agent, url)
True

robotparser模块首先加载robots.txt文件，然后通过can_fetch()函数确定指定的用户代理是否允许访问网页。在本例中，当用户代理设置为 'BadCrawler' 时，robotparser模块会返回结果表明无法获取网页，这和示例网站robots.txt``的定义一样。

为了将该功能集成到爬虫中，我们需要在crawl循环中添加该检查。

    ...
    while crawl_queue:
        url = crawl_queue.pop()
        # check url passes robots.txt restrictions
        if rp.can_fetch(user_agent, url):
            ...
        else:
            print 'Blocked by robots.txt:', url

支持代理

有时我们需要使用代理访问某个网站。比如，Netflix屏蔽了美国以外的大多数国家。使用urllib2支持代理并没有想象中那么容易（可以尝试使用更友好的Python HTTP模块requests来实现该功能，其文档地址为http://docs.python-requests.org/） 。下面是使用urllib2支持代理的代码。

    proxy = ...
    opener = urllib2.build_opener()
    proxy_params = {urlparse.urlparse(url).scheme: proxy}
    opener.add_handler(urllib2.ProxyHandler(proxy_params))
    response = opener.open(request)

下面是集成了该功能的新版本download函数。

    def download(url, user_agent='wswp', proxy=None, num_retries=2):
        print 'Downloading:', url
        headers = {'User-agent': user_agent}
        request = urllib2.Request(url, headers=headers)

        opener = urllib2.build_opener()
        if proxy:
            proxy_params = {urlparse.urlparse(url).scheme: proxy}
            opener.add_handler(urllib2.ProxyHandler(proxy_params))
        try:
            html = opener.open(request).read()
        except urllib2.URLError as e:
            print 'Download error:', e.reason
            html = None
            if num_retries > 0:
                if hasattr(e, 'code') and 500 <= e.code < 600:
                # retry 5XX HTTP errors
                html = download(url, user_agent, proxy,
                    num_retries-1)
        return html

下载限速

如果我们爬取网站的速度过快，就会面临被封禁或是造成服务器过载的风险。为了降低这些风险，我们可以在两次下载之间添加延时，从而对爬虫限速。下面是实现了该功能的类的代码。

    class Throttle:
        """Add a delay between downloads to the same domain
        """
        def __init__(self, delay):
            # amount of delay between downloads for each domain
            self.delay = delay
            # timestamp of when a domain was last accessed
            self.domains = {}

        def wait(self, url):
            domain = urlparse.urlparse(url).netloc
            last_accessed = self.domains.get(domain)

            if self.delay > 0 and last_accessed is not None:
                sleep_secs = self.delay - (datetime.datetime.now() -
                    last_accessed).seconds
                if sleep_secs > 0:
                    # domain has been accessed recently
                    # so need to sleep
                    time.sleep(sleep_secs)
            # update the last accessed time
            self.domains[domain] = datetime.datetime.now()

Throttle类记录了每个域名上次访问的时间，如果当前时间距离上次访问时间小于指定延时，则执行睡眠操作。我们可以在每次下载之前调用Throttle对爬虫进行限速。

    throttle = Throttle(delay)
    ...
    throttle.wait(url)
    result = download(url, headers, proxy=proxy,
        num_retries=num_retries)

避免爬虫陷阱

目前，我们的爬虫会跟踪所有之前没有访问过的链接。但是，一些网站会动态生成页面内容，这样就会出现无限多的网页。比如，网站有一个在线日历功能，提供了可以访问下个月和下一年的链接，那么下个月的页面中同样会包含访问再下个月的链接，这样页面就会无止境地链接下去。这种情况被称为爬虫陷阱。

想要避免陷入爬虫陷阱，一个简单的方法是记录到达当前网页经过了多少个链接，也就是深度。当到达最大深度时，爬虫就不再向队列中添加该网页中的链接了。要实现这一功能，我们需要修改seen变量。该变量原先只记录访问过的网页链接，现在修改为一个字典，增加了页面深度的记录。

    def link_crawler(..., max_depth=2):
        max_depth = 2
        seen = {}
        ...
        depth = seen[url]
        if depth != max_depth:
            for link in links:
                if link not in seen:
                    seen[link] = depth + 1
                    crawl_queue.append(link)

现在有了这一功能，我们就有信心爬虫最终一定能够完成。如果想要禁用该功能，只需将max_depth设为一个负数即可，此时当前深度永远不会与之相等。

最终版本

这个高级链接爬虫的完整源代码可以在https://bitbucket.org/ wswp/code/src/tip/chapter01/link_crawler3.py下载得到。要测试这段代码，我们可以将用户代理设置为BadCrawler，也就是本章前文所述的被robots.txt屏蔽了的那个用户代理。从下面的运行结果中可以看出，爬虫果然被屏蔽了，代码启动后马上就会结束。

>>> seed_url = 'http://example.webscraping.com/index'
>>> link_regex = '/(index|view)'
>>> link_crawler(seed_url, link_regex, user_agent='BadCrawler')
Blocked by robots.txt: http://example.webscraping.com/

现在，让我们使用默认的用户代理，并将最大深度设置为1，这样只有主页上的链接才会被下载。

>>> link_crawler(seed_url, link_regex, max_depth=1)
Downloading: http://example.webscraping.com//index
Downloading: http://example.webscraping.com/index/1
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Antigua-and-Barbuda-10
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Antarctica-9
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Anguilla-8
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Angola-7
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Andorra-6
Downloading: http://example.webscraping.com/view/American-Samoa-5
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Algeria-4
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Albania-3
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Aland-Islands-2
Downloading: http://example.webscraping.com/view/Afghanistan-1

和预期一样，爬虫在下载完国家列表的第一页之后就停止了。