《C# 爬虫 破境之道》：第二境 爬虫应用 — 第七节：并发控制与策略

我们在第五节中提到一个问题，任务队列增长速度太快，与之对应的采集、分析、处理速度远远跟不上，造成内存快速增长，带宽占用过高，CPU使用率过高，这样是极度有害系统健康的。

我们在开发采集程序的时候，总是希望能够尽快将数据爬取下来，如果总任务数量很小（2~3K请求数之内），总耗费时长很短（1~2分钟之内），那么，对系统的正常运行不会造成太严重的影响，我们尽可以肆无忌惮。但，当总任务数量更多，总耗费时长更长，那么，无休止的任务堆积，就会给系统带来难以预料甚至是很严重的后果。

为此，我们不得不考虑几个问题：

• 我们的任务总量大概在什么量级，全速采集大概需要耗费多少时间、多少资源，未来的发展是不是可控？
• 采集系统自身依托的环境资源是否充足，是否能够满足随之而来的巨大的资源消耗？
• 采集的目标资源系统是否具有某些反爬策略限制？
• 采集的目标资源系统是否能够承受得住如此数量级的并发采集请求（无论单点或分布式采集系统，都要考虑这点）？
• 随着采集结果返回，带来的后续分析、处理、存储能力是否能够满足大量数据的瞬时到来？

由以上问题也可以看出，一个爬虫系统策略的制定，需要考虑的问题也是全方位的，而不仅仅是采集本身，不同的环境、规模、目标，采用的策略也不尽相同。本节，我们将讨论一下，如果我们的能力不能满足上述条件的情况下，如何来制定一个并发策略以及如何实现它。

并发策略，从规模上可以分为全局并发策略和单点并发策略，全局并发策略包含单点并发策略，不过它也需要同时考虑负载均衡策略对制定并发策略的影响。目前，我们还没有将爬虫框架扩展到分布式框架，暂时先不考虑全局并发策略的制定。主要探讨一下单点并发策略制定与实现。

单点并发策略的制定：

通常，我们在制定单点并发策略时，需要从哪些角度考虑，使用什么方法，以及如何决策？下面我们就来详细聊聊：）

1、我们先来梳理一下采集系统自身所依托的环境资源：

除了CPU、内存、存储器、带宽这些耳熟能详的资源外，还有就是比较容易被忽略的操作系统可用端口。对于各种资源的占用情况，下面给出一些建议（均值）：

• CPU：采集系统的占用总量建议不超过30%，CPU总使用量建议不超过50%。（虽然我这个疯子经常贪婪过渡T_T）。对于多核CPU，线程创建数量建议不超过CPU核数的两倍。
• 内存：采集系统的占用总量建议不超过50%，内存总使用量建议不超过70%。
• 存储器：对于商业或者大规模的爬虫体系，建议将存储分离，使用外部存储设备，比如NAS、分布式缓存、数据仓库等；当然，其他爬虫体系也这么建议，但如果条件不允许的话，只能存储在本地磁盘的话，就需要考虑磁盘的IOPS了，即使是使用缓存、数据库系统来作为中间存储媒介，实质上也是与磁盘IO打交道，不过一般的缓存、数据库系统都会对IO做优化，而且能干预的力度比较小，倒是可以略微“省心”。这个，本人也无法给出一个合理的通用的建议值，磁盘的性能千奇百怪，只能是按实际环境来拿捏了。
• 带宽：分为上行、下行两个带宽指标，采集系统在这两个指标中的占用总量都不建议超过80%。除了考虑ISP分配的带宽，还要考虑会影响其效能的周边设备，比如猫、交换机、路由器甚至是网线的吞吐能力。说来尴尬，我经常在家里做实验，爬虫系统和目标资源系统都还OK，联通的光猫跪了……重启复活……又跪了……重启复活……又跪了……重启复活……
• 可用端口：这个是一个隐性条件，也是经常被忽略的限制。拿Windows系统来说，可用的端口最大数量为UInt16.MaxValue(65535)个，而伴随着系统启动，就会有一系列的服务占用了部分端口，比如IIS中的网站、数据库、QQ，而系统本身也会保留一部分端口，比如443、3389等。而是否能够使用端口重用技术来缓解疼痛，对具体实现以及NAS端口映射规则的要求更高，不好或不可控。所以爬虫本身能够使用的端口数就有一个极限限制，这个也没有建议值，具体情况各不相同。

总之，资源总是有限的，大体原则就是：做人留一线，日后好相见：）

2、对于目标资源系统的资源环境：

通常，我们无法探知具体的资源情况，再加上对方可能使用反爬策略，就是知道具体的资源情况，也不见得就有用。对于制定并发策略，我们更关心的是对方能够吃的下多大的鸭梨，以及探索其反爬策略允许的极限。为此，我们需要使用下述的方法，来辅助我们制定策略。

3、通常使用的方法：

3.1、需要找到目标资源系统中的一个URI，原则是轻量、成功率高（最好是100%），比如，一张小小的图片、一个简单短小的ajax接口、一个静态html甚至是一个xxx.min.css，但要注意，我们选取的URI可千万不要是经过CDN加速的，否则T_T；

3.2、接下来，我们就针对选取的URI进行周期采集，对于一般的资源站点，初始频率设置为1秒1次，就可以了；

3.3、然后就是运行一段时间观察结果，后面我们再说运行多长时间观察为合适；

3.4、如果观察结果OK，成功率能够达到95%+，那么，我们就可以适量缩小采集周期，反之，就要适当延长采集周期；

3.5、重复3.3~3.4，最后得到一个合理的极限周期；

3.6、至于一次观察多长时间，不同的反爬策略，有着不同的限制，这个需要小心。我曾经的一个项目，当时就比较心急，观测了5分钟，没什么问题，就丢出去了，结果后来现实告诉我，他们的策略是1分钟累计限制、10分钟累计限制、20分钟累计限制、30分钟累计限制、1小时累计限制……而且累计限制逐级递减，也就是说，你满足了1分钟的累计限制，x10，就不一定满足10分钟的累计限制，x60就有可能远远超出了1小时累计限制。这里给出一个建议，至少30分钟。因为目标系统去统计每一个来源IP的访问周期，也是一个不小的代价，所以也不可能做到无限期的监测，通常半小时到一小时已经是极限了。这里也给出一个最保险的观测周期，那就是根据请求总量及当前频率，预估耗费总时长，作为观测周期，这样是最稳妥的，但，这也可能是不切实际的：（

4、如何制定并发策略：

通过上述3步，结合自身的资源情况、目标的反爬策略及承受能力、以及观测结果，我们就可以制定一个大概的并发量了，制定决策也就不那么困难了；

我们的任务都是存储在队列中，并发的限制，无非就是控制入队的频率，所以，只需要把前面的统计结果转化为最小请求间隔，就是我们最终的并发策略了；

为什么是控制入队，而不是出队呢？因为如果不控制入队，那么队列还是会无限暴增，直至“死亡”，而限制入队，一方面避免队列暴增，另一方面，阻塞新任务的生成，降低CPU及内存使用量；

单点并发策略的实现：

有了理论基础，在技术实现上，就不是什么难事儿了。

 namespace MikeWare.Core.Components.CrawlerFramework.Policies
 {
     using System;

     public abstract class AConcurrentPolicy
     {
         public virtual bool WaitOne(TimeSpan timeout) => throw new NotImplementedException();

         public virtual void ReleaseOne() => throw new NotImplementedException();
     }
 }

并发策略 —— AConcurrentPolicy

这是一个抽象类，具有两个抽象方法，作为并发策略的基础实现；

我写了两种并发策略的具体实现，PeriodConcurrentPolicy和SemaphoreConcurrentPolicy，他们的目的都是用来控制入队的频率，目标一致，方法不同，您也可以实现自己的并发策略；

本节，我们主要说道说道System.Threading.Semaphore的使用及SemaphoreConcurrentPolicy的实现原理；

 namespace MikeWare.Core.Components.CrawlerFramework.Policies
 {
     using System;
     using System.Threading;

     public class SemaphoreConcurrentPolicy : AConcurrentPolicy
     {
         private Semaphore semaphore = null;

         public SemaphoreConcurrentPolicy(int init, int max)
         {
             semaphore = new Semaphore(init, max);
         }

         public override bool WaitOne(TimeSpan timeout)
         {
             return semaphore.WaitOne(timeout);
         }

         public override void ReleaseOne()
         {
             semaphore.Release();
         }
     }
 }

并发策略实现 —— SemaphoreConcurrentPolicy

SemaphoreConcurrentPolicy继承自AConcurrentPolicy，定义了一个私有变量Semaphore semaphore，以及重写了基类的两个抽象方法；

namespace System.Threading
{
    //
    // Summary:
    //     Limits the number of threads that can access a resource or pool of resources
    //     concurrently.
    public sealed class Semaphore : WaitHandle
    {
        //
        // Summary:
        //     Initializes a new instance of the System.Threading.Semaphore class, specifying
        //     the initial number of entries and the maximum number of concurrent entries.
        //
        // Parameters:
        //   initialCount:
        //     The initial number of requests for the semaphore that can be granted concurrently.
        //
        //   maximumCount:
        //     The maximum number of requests for the semaphore that can be granted concurrently.
        //
        // Exceptions:
        //   T:System.ArgumentException:
        //     initialCount is greater than maximumCount.
        //
        //   T:System.ArgumentOutOfRangeException:
        //     maximumCount is less than 1. -or- initialCount is less than 0.
        public Semaphore(int initialCount, int maximumCount);
        //
        // Summary:
        //     Initializes a new instance of the System.Threading.Semaphore class, specifying
        //     the initial number of entries and the maximum number of concurrent entries, and
        //     optionally specifying the name of a system semaphore object.
        //
        // Parameters:
        //   initialCount:
        //     The initial number of requests for the semaphore that can be granted concurrently.
        //
        //   maximumCount:
        //     The maximum number of requests for the semaphore that can be granted concurrently.
        //
        //   name:
        //     The name of a named system semaphore object.
        //
        // Exceptions:
        //   T:System.ArgumentException:
        //     initialCount is greater than maximumCount. -or- name is longer than 260 characters.
        //
        //   T:System.ArgumentOutOfRangeException:
        //     maximumCount is less than 1. -or- initialCount is less than 0.
        //
        //   T:System.IO.IOException:
        //     A Win32 error occurred.
        //
        //   T:System.UnauthorizedAccessException:
        //     The named semaphore exists and has access control security, and the user does
        //     not have System.Security.AccessControl.SemaphoreRights.FullControl.
        //
        //   T:System.Threading.WaitHandleCannotBeOpenedException:
        //     The named semaphore cannot be created, perhaps because a wait handle of a different
        //     type has the same name.
        public Semaphore(int initialCount, int maximumCount, string name);
        //
        // Summary:
        //     Initializes a new instance of the System.Threading.Semaphore class, specifying
        //     the initial number of entries and the maximum number of concurrent entries, optionally
        //     specifying the name of a system semaphore object, and specifying a variable that
        //     receives a value indicating whether a new system semaphore was created.
        //
        // Parameters:
        //   initialCount:
        //     The initial number of requests for the semaphore that can be satisfied concurrently.
        //
        //   maximumCount:
        //     The maximum number of requests for the semaphore that can be satisfied concurrently.
        //
        //   name:
        //     The name of a named system semaphore object.
        //
        //   createdNew:
        //     When this method returns, contains true if a local semaphore was created (that
        //     is, if name is null or an empty string) or if the specified named system semaphore
        //     was created; false if the specified named system semaphore already existed. This
        //     parameter is passed uninitialized.
        //
        // Exceptions:
        //   T:System.ArgumentException:
        //     initialCount is greater than maximumCount. -or- name is longer than 260 characters.
        //
        //   T:System.ArgumentOutOfRangeException:
        //     maximumCount is less than 1. -or- initialCount is less than 0.
        //
        //   T:System.IO.IOException:
        //     A Win32 error occurred.
        //
        //   T:System.UnauthorizedAccessException:
        //     The named semaphore exists and has access control security, and the user does
        //     not have System.Security.AccessControl.SemaphoreRights.FullControl.
        //
        //   T:System.Threading.WaitHandleCannotBeOpenedException:
        //     The named semaphore cannot be created, perhaps because a wait handle of a different
        //     type has the same name.
        public Semaphore(int initialCount, int maximumCount, string name, out bool createdNew);

        //
        // Summary:
        //     Opens the specified named semaphore, if it already exists.
        //
        // Parameters:
        //   name:
        //     The name of the system semaphore to open.
        //
        // Returns:
        //     An object that represents the named system semaphore.
        //
        // Exceptions:
        //   T:System.ArgumentException:
        //     name is an empty string. -or- name is longer than 260 characters.
        //
        //   T:System.ArgumentNullException:
        //     name is null.
        //
        //   T:System.Threading.WaitHandleCannotBeOpenedException:
        //     The named semaphore does not exist.
        //
        //   T:System.IO.IOException:
        //     A Win32 error occurred.
        //
        //   T:System.UnauthorizedAccessException:
        //     The named semaphore exists, but the user does not have the security access required
        //     to use it.
        public static Semaphore OpenExisting(string name);
        //
        // Summary:
        //     Opens the specified named semaphore, if it already exists, and returns a value
        //     that indicates whether the operation succeeded.
        //
        // Parameters:
        //   name:
        //     The name of the system semaphore to open.
        //
        //   result:
        //     When this method returns, contains a System.Threading.Semaphore object that represents
        //     the named semaphore if the call succeeded, or null if the call failed. This parameter
        //     is treated as uninitialized.
        //
        // Returns:
        //     true if the named semaphore was opened successfully; otherwise, false.
        //
        // Exceptions:
        //   T:System.ArgumentException:
        //     name is an empty string. -or- name is longer than 260 characters.
        //
        //   T:System.ArgumentNullException:
        //     name is null.
        //
        //   T:System.IO.IOException:
        //     A Win32 error occurred.
        //
        //   T:System.UnauthorizedAccessException:
        //     The named semaphore exists, but the user does not have the security access required
        //     to use it.
        public static bool TryOpenExisting(string name, out Semaphore result);
        //
        // Summary:
        //     Exits the semaphore and returns the previous count.
        //
        // Returns:
        //     The count on the semaphore before the System.Threading.Semaphore.Release* method
        //     was called.
        //
        // Exceptions:
        //   T:System.Threading.SemaphoreFullException:
        //     The semaphore count is already at the maximum value.
        //
        //   T:System.IO.IOException:
        //     A Win32 error occurred with a named semaphore.
        //
        //   T:System.UnauthorizedAccessException:
        //     The current semaphore represents a named system semaphore, but the user does
        //     not have System.Security.AccessControl.SemaphoreRights.Modify. -or- The current
        //     semaphore represents a named system semaphore, but it was not opened with System.Security.AccessControl.SemaphoreRights.Modify.
        public int Release();
        //
        // Summary:
        //     Exits the semaphore a specified number of times and returns the previous count.
        //
        // Parameters:
        //   releaseCount:
        //     The number of times to exit the semaphore.
        //
        // Returns:
        //     The count on the semaphore before the System.Threading.Semaphore.Release* method
        //     was called.
        //
        // Exceptions:
        //   T:System.ArgumentOutOfRangeException:
        //     releaseCount is less than 1.
        //
        //   T:System.Threading.SemaphoreFullException:
        //     The semaphore count is already at the maximum value.
        //
        //   T:System.IO.IOException:
        //     A Win32 error occurred with a named semaphore.
        //
        //   T:System.UnauthorizedAccessException:
        //     The current semaphore represents a named system semaphore, but the user does
        //     not have System.Security.AccessControl.SemaphoreRights.Modify rights. -or- The
        //     current semaphore represents a named system semaphore, but it was not opened
        //     with System.Security.AccessControl.SemaphoreRights.Modify rights.
        public int Release(int releaseCount);
    }
}

System.Threading.Semaphore

看它的summary，我们大体了解这个类就是专门用来做并发限制的，它具有三个构造函数，我们最关心的，就是其中两个参数int initialCount, int maximumCount及其涵义；

initialCount：能够被Semaphore 授予的数量的初始值；

maximumCount：能够被Semaphore 授予的最大值；

字面意思可能不太好理解，我们来把官宣翻译成普通话：）

举个栗子，我们把Semaphore看成是一个用来装钥匙的盒子，每一个想要进入队列这道“门”的任务，都需要先从盒子里取一把钥匙，才能进入；initialCount，就是说，这个盒子，一开始的时候，放几把钥匙，但是进入队列的任务，时时不肯出来，不归还钥匙，无钥匙可用，这时管理员就决定再多配一些钥匙，以备用，于是，一些新钥匙又被放入盒子里，但盒子的容积有限，一共能容纳多少把钥匙，就是maximumCount了。

当然，我们常见的情况是构造盒子的时候，initialCount == maximumCount，特殊场景下，会设置不相同，这个视具体业务而定。然而，maximumCount不能小于initialCount，initialCount不能小于0，这个是硬性的。

这样是不是initialCount 和 maximumCount就很容易理解了。

同时，Semaphore 还有非常重要的方法（Release）方法，再把上面的栗子举起来说话，Release就是归还钥匙，任务结束了，那么就出门还钥匙，然后其它在门口等待的任务就可以领到钥匙进门了：）

再者，Semaphore 继承自System.Threading.WaitHandle，于是乎，它就具有了一系列Wait方法，当有新任务来领钥匙，一看，盒子空了，那怎么办呢，等吧，但是等多久呢，是一直等下去还是等一个超时时间，这就看业务逻辑了。

在我的SemaphoreConcurrentPolicy实现里，会提供一个超时时间，爬虫蚂蚁小队长会判断，如果没拿到钥匙，就会再次回来尝试取钥匙。

OK，接下来，就是对我们的蚂蚁小队长进行改造了：

 namespace MikeWare.Core.Components.CrawlerFramework
 {
     using MikeWare.Core.Components.CrawlerFramework.Policies;
     using System;
     using System.Collections.Concurrent;
     using System.Threading;
     using System.Threading.Tasks;

     public class LeaderAnt : Ant
     {
         private ConcurrentQueue<JobContext> Queue;
         private ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);
         public AConcurrentPolicy EnqueuePolicy { get; set; }

         ……

         public void Enqueue(JobContext context)
         {
             if (null != EnqueuePolicy)
             {
                 while (!EnqueuePolicy.WaitOne(TimeSpan.FromMilliseconds()) && !mre.WaitOne())
                     continue;
             }

             Queue.Enqueue(context);
         }

         ……
 }

领队 —— LeaderAnt

主要是在入队的时候，增加了拿钥匙的环节；

 namespace MikeWare.Crawlers.EBooks.Bizs
 {
     using MikeWare.Core.Components.CrawlerFramework;
     using MikeWare.Core.Components.CrawlerFramework.Policies;
     using MikeWare.Crawlers.EBooks.Entities;
     using System;
     using System.Collections.Generic;
     using System.Net;

     public class EBooksCrawler
     {
         public static void Start(int pageIndex, DateTime lastUpdateTime)
         {
             var leader = new LeaderAnt()
             {
                 EnqueuePolicy = new SemaphoreConcurrentPolicy(, )
                 //EnqueuePolicy = new PeriodEnqueuePolicy(TimeSpan.FromMilliseconds(150))
             };

             var newContext = new JobContext
             {
                 JobName = $"奇书网-最新电子书-列表-第{pageIndex.ToString("")}页",
                 Uri = $"http://www.xqishuta.com/s/new/index_{pageIndex}.html",
                 Method = WebRequestMethods.Http.Get,
                 InParams = new Dictionary<string, object>(),
                 Analizer = new BooksListAnalizer(),
             };
             newContext.InParams.Add(Consts.PAGE_INDEX, );
             newContext.InParams.Add(Consts.LAST_UPDATE_TIME, DateTime.MinValue);

             leader.Enqueue(newContext);

             leader.Work();
         }
     }
 }

业务层 —— EBooksCrawler

主要是在构造LeaderAnt的时候，为其指定了我们要使用的策略；

同时需要注意的是，这个SemaphoreConcurrentPolicy并发策略的实现，并没有规定入队的时间间隔，而是控制了最大的队列长度，所以，并发的频率可能高，可能低，这个策略可以用来制衡资源的使用情况。关于入队时间间隔，可以使用PeriodConcurrentPolicy或自己实现策略来控制；

另一个策略的实现，我们就不在这里细说了。有兴趣的同学可以看看源码。

好了，本节的内容就这么多吧，相信大家对并发策略的制定与实现，都有了各自的理解。

后续章节同样精彩，敬请期待……

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