Scrapy 源码剖析(二)Scrapy 是如何运行起来的?

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Scrapy 源码剖析(二)Scrapy 是如何运行起来的?

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阅读本文大约需要 15 分钟。

在上篇文章:Scrapy源码分析(一)架构概览,我们主要从整体上了解了 Scrapy 的架构和数据流转,并没有深入分析每个模块。从这篇文章开始,我将带你详细剖析 Scrapy 的运行原理。

这篇文章,我们先从最基础的运行入口来讲,来看一下 Scrapy 究竟是如何运行起来的。

scrapy 命令从哪来?

当我们基于 Scrapy 写好一个爬虫后,想要把我们的爬虫运行起来,怎么做?非常简单,只需要执行以下命令就可以了。

 scrapy crawl <spider_name>
复制代码

通过这个命令,我们的爬虫就真正开始工作了。那么从命令行到执行爬虫逻辑,这个过程中到底发生了什么?

在开始之前,不知道你有没有和我一样的疑惑,我们执行的 scrapy 命令从何而来?

实际上,当你成功安装好 Scrapy 后,使用如下命令,就能找到这个命令文件,这个文件就是 Scrapy 的运行入口:

$ which scrapy
/usr/local/bin/scrapy
复制代码

使用编辑打开这个文件,你会发现,它其实它就是一个 Python 脚本,而且代码非常少。

import re
import sys

from scrapy.cmdline import execute

if __name__ == '__main__':
    sys.argv[0] = re.sub(r'(-script\.pyw|\.exe)?$', '', sys.argv[0])
    sys.exit(execute())
复制代码

安装好 Scrapy 后,为什么入口点是这里呢?

答案就在于 Scrapy 的安装文件 setup.py 中,我们找到这个文件,就会发现在这个文件里,已经声明好了程序的运行入口处:

from os.path import dirname, join
from setuptools import setup, find_packages

setup(
    name='Scrapy',
    version=version,
    url='http://scrapy.org',
    ...
    entry_points={      # 运行入口在这里:scrapy.cmdline:execute
        'console_scripts': ['scrapy = scrapy.cmdline:execute']
    },
    classifiers=[
        ...
    ],
    install_requires=[
        ...
    ],
)
复制代码

我们需要关注的是 entry_points 配置,它就是调用 Scrapy 开始的地方,也就是cmdline.pyexecute 方法。

也就是说,我们在安装 Scrapy 的过程中,setuptools 这个包管理工具,就会把上述代码生成好并放在可执行路径下,这样当我们调用 scrapy 命令时,就会调用 Scrapy 模块下的 cmdline.pyexecute 方法。

而且在这这里,我们可以学到一个小技巧——如何用 Python 编写一个可执行文件?其实非常简单,模仿上面的思路,只需要以下几步即可完成:

  1. 编写一个带有 main 方法的 Python 模块(首行必须注明 Python 执行路径)
  2. 去掉.py后缀名
  3. 修改权限为可执行(chmod +x 文件名)
  4. 直接用文件名就可以执行这个 Python 文件

例如,我们创建一个文件 mycmd,在这个文件中编写一个 main 方法,这个方法编写我们想要的执行的逻辑,之后执行 chmod +x mycmd 把这个文件权限变成可执行,最后通过 ./mycmd 就可以执行这段代码了,而不再需要通过 python <file.py> 方式就可以执行了,是不是很简单?

运行入口(execute.py)

现在,我们已经知道了 Scrapy 的运行入口是 scrapy/cmdline.pyexecute 方法,那我们就看一下这个方法。

def execute(argv=None, settings=None):
    if argv is None:
        argv = sys.argv

    # --- 兼容低版本scrapy.conf.settings的配置 ---
    if settings is None and 'scrapy.conf' in sys.modules:
        from scrapy import conf
        if hasattr(conf, 'settings'):
            settings = conf.settings
    # -----------------------------------------

	# 初始化环境、获取项目配置参数 返回settings对象
    if settings is None:
        settings = get_project_settings()
    # 校验弃用的配置项
    check_deprecated_settings(settings)

    # --- 兼容低版本scrapy.conf.settings的配置 ---
    import warnings
    from scrapy.exceptions import ScrapyDeprecationWarning
    with warnings.catch_warnings():
        warnings.simplefilter("ignore", ScrapyDeprecationWarning)
        from scrapy import conf
        conf.settings = settings
    # ---------------------------------------

    # 执行环境是否在项目中 主要检查scrapy.cfg配置文件是否存在
    inproject = inside_project()

    # 读取commands文件夹 把所有的命令类转换为{cmd_name: cmd_instance}的字典
    cmds = _get_commands_dict(settings, inproject)
    # 从命令行解析出执行的是哪个命令
    cmdname = _pop_command_name(argv)
    parser = optparse.OptionParser(formatter=optparse.TitledHelpFormatter(), \
        conflict_handler='resolve')
    if not cmdname:
        _print_commands(settings, inproject)
        sys.exit(0)
    elif cmdname not in cmds:
        _print_unknown_command(settings, cmdname, inproject)
        sys.exit(2)

    # 根据命令名称找到对应的命令实例
    cmd = cmds[cmdname]
    parser.usage = "scrapy %s %s" % (cmdname, cmd.syntax())
    parser.description = cmd.long_desc()
    # 设置项目配置和级别为command
    settings.setdict(cmd.default_settings, priority='command')
    cmd.settings = settings
    # 添加解析规则
    cmd.add_options(parser)
    # 解析命令参数,并交由Scrapy命令实例处理
    opts, args = parser.parse_args(args=argv[1:])
    _run_print_help(parser, cmd.process_options, args, opts)

    # 初始化CrawlerProcess实例 并给命令实例添加crawler_process属性
    cmd.crawler_process = CrawlerProcess(settings)
    # 执行命令实例的run方法
    _run_print_help(parser, _run_command, cmd, args, opts)
    sys.exit(cmd.exitcode)
复制代码

这块代码就是 Scrapy 执行的运行入口了,我们根据注释就能看到,这里的主要工作包括配置初始化、命令解析、爬虫类加载、运行爬虫这几步。

了解了整个入口的流程,下面我会对每个步骤进行详细的分析。

初始化项目配置

首先第一步,根据环境初始化配置,在这里有一些兼容低版本 Scrapy 配置的代码,我们忽略就好。我们重点来看配置是如何初始化的。这主要和环境变量和 scrapy.cfg 有关,通过调用 get_project_settings 方法,最终生成一个 Settings 实例。

def get_project_settings():
    # 环境变量中是否有SCRAPY_SETTINGS_MODULE配置
    if ENVVAR not in os.environ:
        project = os.environ.get('SCRAPY_PROJECT', 'default')
        # 初始化环境 找到用户配置文件settings.py 设置到环境变量SCRAPY_SETTINGS_MODULE中
        init_env(project)
    # 加载默认配置文件default_settings.py 生成settings实例
    settings = Settings()
    # 取得用户配置文件
    settings_module_path = os.environ.get(ENVVAR)
    # 如果有用户配置 则覆盖默认配置
    if settings_module_path:
        settings.setmodule(settings_module_path, priority='project')
    # 如果环境变量中有其他scrapy相关配置也覆盖
    pickled_settings = os.environ.get("SCRAPY_PICKLED_SETTINGS_TO_OVERRIDE")
    if pickled_settings:
        settings.setdict(pickle.loads(pickled_settings), priority='project')
    env_overrides = {k[7:]: v for k, v in os.environ.items() if
                     k.startswith('SCRAPY_')}
    if env_overrides:
        settings.setdict(env_overrides, priority='project')
    return settings
复制代码

在初始配置时,会加载默认的配置文件 default_settings.py,主要逻辑在 Settings 类中。

class Settings(BaseSettings):
    def __init__(self, values=None, priority='project'):
        # 调用父类构造初始化
        super(Settings, self).__init__()
        # 把default_settings.py的所有配置set到settings实例中
        self.setmodule(default_settings, 'default')
        # 把attributes属性也set到settings实例中
        for name, val in six.iteritems(self):
            if isinstance(val, dict):
                self.set(name, BaseSettings(val, 'default'), 'default')
        self.update(values, priority)
复制代码

可以看到,首先把默认配置文件 default_settings.py 中的所有配置项设置到 Settings 中,而且这个配置是有优先级的。

这个默认配置文件 default_settings.py 是非常重要的,我们读源码时有必要重点关注一下里面的内容,这里包含了所有组件的默认配置,以及每个组件的类模块,例如调度器类、爬虫中间件类、下载器中间件类、下载处理器类等等。

# 下载器类
DOWNLOADER = 'scrapy.core.downloader.Downloader'
# 调度器类
CHEDULER = 'scrapy.core.scheduler.Scheduler'
# 调度队列类
SCHEDULER_DISK_QUEUE = 'scrapy.squeues.PickleLifoDiskQueue'
SCHEDULER_MEMORY_QUEUE = 'scrapy.squeues.LifoMemoryQueue'
SCHEDULER_PRIORITY_QUEUE = 'scrapy.pqueues.ScrapyPriorityQueue'
复制代码

有没有感觉比较奇怪,默认配置中配置了这么多类模块,这是为什么?

这其实是 Scrapy 特性之一,它这么做的好处是:任何模块都是可替换的

什么意思呢?例如,你觉得默认的调度器功能不够用,那么你就可以按照它定义的接口标准,自己实现一个调度器,然后在自己的配置文件中,注册自己的调度器类,那么 Scrapy 运行时就会加载你的调度器执行了,这极大地提高了我们的灵活性!

所以,只要在默认配置文件中配置的模块类,都是可替换的。

检查运行环境是否在项目中

初始化完配置之后,下面一步是检查运行环境是否在爬虫项目中。我们知道,scrapy 命令有的是依赖项目运行的,有的命令则是全局的。这里主要通过就近查找 scrapy.cfg 文件来确定是否在项目环境中,主要逻辑在 inside_project 方法中。

def inside_project():
    # 检查此环境变量是否存在(上面已设置)
    scrapy_module = os.environ.get('SCRAPY_SETTINGS_MODULE')
    if scrapy_module is not None:
        try:
            import_module(scrapy_module)
        except ImportError as exc:
            warnings.warn("Cannot import scrapy settings module %s: %s" % (scrapy_module, exc))
        else:
            return True
	# 如果环境变量没有 就近查找scrapy.cfg 找得到就认为是在项目环境中
    return bool(closest_scrapy_cfg())
复制代码

运行环境是否在爬虫项目中的依据就是能否找到 scrapy.cfg 文件,如果能找到,则说明是在爬虫项目中,否则就认为是执行的全局命令。

组装命令实例集合

再向下看,就到了加载命令的逻辑了。我们知道 scrapy 包括很多命令,例如 scrapy crawlscrapy fetch 等等,那这些命令是从哪来的?答案就在 _get_commands_dict 方法中。

def _get_commands_dict(settings, inproject):
    # 导入commands文件夹下的所有模块 生成{cmd_name: cmd}的字典集合
    cmds = _get_commands_from_module('scrapy.commands', inproject)
    cmds.update(_get_commands_from_entry_points(inproject))
    # 如果用户自定义配置文件中有COMMANDS_MODULE配置 则加载自定义的命令类
    cmds_module = settings['COMMANDS_MODULE']
    if cmds_module:
        cmds.update(_get_commands_from_module(cmds_module, inproject))
    return cmds

def _get_commands_from_module(module, inproject):
    d = {}
    # 找到这个模块下所有的命令类(ScrapyCommand子类)
    for cmd in _iter_command_classes(module):
        if inproject or not cmd.requires_project:
            # 生成{cmd_name: cmd}字典
            cmdname = cmd.__module__.split('.')[-1]
            d[cmdname] = cmd()
    return d

def _iter_command_classes(module_name):
    # 迭代这个包下的所有模块 找到ScrapyCommand的子类
    for module in walk_modules(module_name):
        for obj in vars(module).values():
            if inspect.isclass(obj) and \
                    issubclass(obj, ScrapyCommand) and \
                    obj.__module__ == module.__name__:
                yield obj
复制代码

这个过程主要是,导入 commands 文件夹下的所有模块,最终生成一个 {cmd_name: cmd} 字典集合,如果用户在配置文件中也配置了自定义的命令类,也会追加进去。也就是说,我们自己也可以编写自己的命令类,然后追加到配置文件中,之后就可以使用自己定义的命令了。

解析命令

加载好命令类后,就开始解析我们具体执行的哪个命令了,解析逻辑比较简单:

def _pop_command_name(argv):
    i = 0
    for arg in argv[1:]:
        if not arg.startswith('-'):
            del argv[i]
            return arg
        i += 1
复制代码

这个过程就是解析命令行,例如执行 scrapy crawl <spider_name>,这个方法会解析出 crawl,通过上面生成好的命令类的字典集合,就能找到 commands 目录下的 crawl.py文件,最终执行的就是它的 Command 类。

解析命令行参数

找到对应的命令实例后,调用 cmd.process_options 方法解析我们的参数:

def process_options(self, args, opts):
    # 首先调用了父类的process_options 解析统一固定的参数
    ScrapyCommand.process_options(self, args, opts)
    try:
        # 命令行参数转为字典
        opts.spargs = arglist_to_dict(opts.spargs)
    except ValueError:
        raise UsageError("Invalid -a value, use -a NAME=VALUE", print_help=False)
    if opts.output:
        if opts.output == '-':
            self.settings.set('FEED_URI', 'stdout:', priority='cmdline')
        else:
            self.settings.set('FEED_URI', opts.output, priority='cmdline')
        feed_exporters = without_none_values(
            self.settings.getwithbase('FEED_EXPORTERS'))
        valid_output_formats = feed_exporters.keys()
        if not opts.output_format:
            opts.output_format = os.path.splitext(opts.output)[1].replace(".", "")
        if opts.output_format not in valid_output_formats:
            raise UsageError("Unrecognized output format '%s', set one"
                             " using the '-t' switch or as a file extension"
                             " from the supported list %s" % (opts.output_format,
                                                              		tuple(valid_output_formats)))
        self.settings.set('FEED_FORMAT', opts.output_format, priority='cmdline')
复制代码

这个过程就是解析命令行其余的参数,固定参数解析交给父类处理,例如输出位置等。其余不同的参数由不同的命令类解析。

初始化CrawlerProcess

一切准备就绪,最后初始化 CrawlerProcess 实例,然后运行对应命令实例的 run 方法。

cmd.crawler_process = CrawlerProcess(settings)
_run_print_help(parser, _run_command, cmd, args, opts)
复制代码

我们开始运行一个爬虫一般使用的是 scrapy crawl <spider_name>,也就是说最终调用的是 commands/crawl.pyrun 方法:

def run(self, args, opts):
    if len(args) < 1:
        raise UsageError()
    elif len(args) > 1:
        raise UsageError("running 'scrapy crawl' with more than one spider is no longer supported")
    spname = args[0]

    self.crawler_process.crawl(spname, **opts.spargs)
    self.crawler_process.start()
复制代码

run 方法中调用了 CrawlerProcess 实例的 crawlstart 方法,就这样整个爬虫程序就会运行起来了。

我们先来看CrawlerProcess初始化:

class CrawlerProcess(CrawlerRunner):
    def __init__(self, settings=None):
        # 调用父类初始化
        super(CrawlerProcess, self).__init__(settings)
        # 信号和log初始化
        install_shutdown_handlers(self._signal_shutdown)
        configure_logging(self.settings)
        log_scrapy_info(self.settings)
复制代码

其中,构造方法中调用了父类 CrawlerRunner 的构造方法:

class CrawlerRunner(object):
    def __init__(self, settings=None):
        if isinstance(settings, dict) or settings is None:
            settings = Settings(settings)
        self.settings = settings
        # 获取爬虫加载器
        self.spider_loader = _get_spider_loader(settings)
        self._crawlers = set()
        self._active = set()
复制代码

初始化时,调用了 _get_spider_loader方法:

def _get_spider_loader(settings):
    # 读取配置文件中的SPIDER_MANAGER_CLASS配置项
    if settings.get('SPIDER_MANAGER_CLASS'):
        warnings.warn(
            'SPIDER_MANAGER_CLASS option is deprecated. '
            'Please use SPIDER_LOADER_CLASS.',
            category=ScrapyDeprecationWarning, stacklevel=2
        )
    cls_path = settings.get('SPIDER_MANAGER_CLASS',
                            settings.get('SPIDER_LOADER_CLASS'))
    loader_cls = load_object(cls_path)
    try:
        verifyClass(ISpiderLoader, loader_cls)
    except DoesNotImplement:
        warnings.warn(
            'SPIDER_LOADER_CLASS (previously named SPIDER_MANAGER_CLASS) does '
            'not fully implement scrapy.interfaces.ISpiderLoader interface. '
            'Please add all missing methods to avoid unexpected runtime errors.',
            category=ScrapyDeprecationWarning, stacklevel=2
        )
    return loader_cls.from_settings(settings.frozencopy())
复制代码

这里会读取默认配置文件中的 spider_loader项,默认配置是 spiderloader.SpiderLoader类,从名字我们也能看出来,这个类是用来加载我们编写好的爬虫类的,下面看一下这个类的具体实现。

@implementer(ISpiderLoader)
class SpiderLoader(object):
    def __init__(self, settings):
        # 配置文件获取存放爬虫脚本的路径
        self.spider_modules = settings.getlist('SPIDER_MODULES')
        self._spiders = {}
        # 加载所有爬虫
        self._load_all_spiders()

    def _load_spiders(self, module):
        # 组装成{spider_name: spider_cls}的字典
        for spcls in iter_spider_classes(module):
            self._spiders[spcls.name] = spcls

    def _load_all_spiders(self):
        for name in self.spider_modules:
            for module in walk_modules(name):
                self._load_spiders(module)
复制代码

可以看到,在这里爬虫加载器会加载所有的爬虫脚本,最后生成一个 {spider_name: spider_cls} 的字典,所以我们在执行 scarpy crawl <spider_name> 时,Scrapy 就能找到我们的爬虫类。

运行爬虫

CrawlerProcess 初始化完之后,调用它的 crawl 方法:

def crawl(self, crawler_or_spidercls, *args, **kwargs):
    # 创建crawler
    crawler = self.create_crawler(crawler_or_spidercls)
    return self._crawl(crawler, *args, **kwargs)

def _crawl(self, crawler, *args, **kwargs):
    self.crawlers.add(crawler)
    # 调用Crawler的crawl方法
    d = crawler.crawl(*args, **kwargs)
    self._active.add(d)

    def _done(result):
        self.crawlers.discard(crawler)
        self._active.discard(d)
        return result
    return d.addBoth(_done)

def create_crawler(self, crawler_or_spidercls):
    if isinstance(crawler_or_spidercls, Crawler):
        return crawler_or_spidercls
    return self._create_crawler(crawler_or_spidercls)

def _create_crawler(self, spidercls):
    # 如果是字符串 则从spider_loader中加载这个爬虫类
    if isinstance(spidercls, six.string_types):
        spidercls = self.spider_loader.load(spidercls)
    # 否则创建Crawler
    return Crawler(spidercls, self.settings)
复制代码

这个过程会创建 Cralwer 实例,然后调用它的 crawl 方法:

@defer.inlineCallbacks
def crawl(self, *args, **kwargs):
    assert not self.crawling, "Crawling already taking place"
    self.crawling = True

    try:
        # 到现在 才是实例化一个爬虫实例
        self.spider = self._create_spider(*args, **kwargs)
        # 创建引擎
        self.engine = self._create_engine()
        # 调用爬虫类的start_requests方法
        start_requests = iter(self.spider.start_requests())
        # 执行引擎的open_spider 并传入爬虫实例和初始请求
        yield self.engine.open_spider(self.spider, start_requests)
        yield defer.maybeDeferred(self.engine.start)
    except Exception:
        if six.PY2:
            exc_info = sys.exc_info()

        self.crawling = False
        if self.engine is not None:
            yield self.engine.close()

        if six.PY2:
            six.reraise(*exc_info)
        raise

def _create_spider(self, *args, **kwargs):
    return self.spidercls.from_crawler(self, *args, **kwargs)
复制代码

到这里,才会对我们的爬虫类创建一个实例对象,然后创建引擎,之后调用爬虫类的 start_requests 方法获取种子 URL,最后交给引擎执行。

最后来看 Cralwer 是如何开始运行的额,也就是它的 start 方法:

def start(self, stop_after_crawl=True):
    if stop_after_crawl:
        d = self.join()
        if d.called:
            return
        d.addBoth(self._stop_reactor)
    reactor.installResolver(self._get_dns_resolver())
    # 配置reactor的池子大小(可修改REACTOR_THREADPOOL_MAXSIZE调整)
    tp = reactor.getThreadPool()
    tp.adjustPoolsize(maxthreads=self.settings.getint('REACTOR_THREADPOOL_MAXSIZE'))
    reactor.addSystemEventTrigger('before', 'shutdown', self.stop)
    # 开始执行
    reactor.run(installSignalHandlers=False)
复制代码

在这里有一个叫做 reactor 的模块。reactor 是个什么东西呢?它是 Twisted 模块的事件管理器,我们只要把需要执行的事件注册到 reactor 中,然后调用它的 run 方法,它就会帮我们执行注册好的事件,如果遇到网络IO等待,它会自动帮切换到可执行的事件上,非常高效。

在这里我们不用深究 reactor 是如何工作的,你可以把它想象成一个线程池,只是采用注册回调的方式来执行事件。

到这里,Scrapy 运行的入口就分析完了,之后爬虫的调度逻辑就交由引擎 ExecuteEngine 处理了,引擎会协调多个组件,相互配合完成整个任务的执行。

总结

总结一下,Scrapy 在真正运行前,需要做的工作包括配置环境初始化、命令类的加载、爬虫模块的加载,以及命令类和参数解析,之后运行我们的爬虫类,最终,这个爬虫类的调度交给引擎处理。

这里我把整个流程也总结成了思维导图,方便你理解:

好了,Scrapy 是如何运行的代码剖析就先分析到这里,下篇文章我们会深入剖析各个核心组件,分析它们都是负责做什么工作的,以及它们之间又是如何协调完成抓取任务的。

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