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Scrapy 中队列设计详解

1. 概述

Scrapy 的队列系统是其调度器（Scheduler）的核心组件之一，负责存储和管理待抓取的请求。Scrapy 实现了两种类型的队列：

• 内存队列：请求存储在内存中，重启后数据丢失
• 磁盘队列：请求序列化到磁盘，支持持久化存储
  文件路径：/scrapy/squeues.py
  设计模式：装饰器模式与Python中的装饰器

2. 队列的基本架构

2.1 队列类型

Scrapy 在 squeues.py 中定义了以下几种队列：

1. 磁盘队列（使用 pickle 序列化）：

   • PickleFifoDiskQueue: 先进先出磁盘队列
   • PickleLifoDiskQueue: 后进先出磁盘队列（默认的磁盘队列类）

2. 磁盘队列（使用 marshal 序列化）：

   • MarshalFifoDiskQueue: 先进先出磁盘队列
   • MarshalLifoDiskQueue: 后进先出磁盘队列

3. 内存队列：

   • FifoMemoryQueue: 先进先出内存队列
   • LifoMemoryQueue: 后进先出内存队列（默认的内存队列类）

2.2 核心设计模式

Scrapy 的队列设计采用了装饰器模式，主要包含以下几个层次：

1. 基础队列装饰：

def _with_mkdir(queue_class):class DirectoriesCreated(queue_class):def __init__(self, path, *args, **kwargs):dirname = Path(path).parentif not dirname.exists():dirname.mkdir(parents=True, exist_ok=True)super().__init__(path, *args, **kwargs)return DirectoriesCreated

2. 序列化装饰：

def _serializable_queue(queue_class, serialize, deserialize):class SerializableQueue(queue_class):def push(self, obj):s = serialize(obj)super().push(s)def pop(self):s = super().pop()if s:return deserialize(s)return Nonedef peek(self):try:s = super().peek()except AttributeError as ex:raise NotImplementedError("The underlying queue class does not implement 'peek'") from exif s:return deserialize(s)return Nonereturn SerializableQueue

3. 序列化实现

3.1 Pickle 序列化队列

Scrapy 使用 pickle 作为默认的序列化方案，实现如下：

def _pickle_serialize(obj):try:return pickle.dumps(obj, protocol=4)except (pickle.PicklingError, AttributeError, TypeError) as e:raise ValueError(str(e)) from e# 创建 pickle 序列化的磁盘队列
_PickleFifoSerializationDiskQueue = _serializable_queue(_with_mkdir(queue.FifoDiskQueue), _pickle_serialize, pickle.loads
)_PickleLifoSerializationDiskQueue = _serializable_queue(_with_mkdir(queue.LifoDiskQueue), _pickle_serialize, pickle.loads
)

3.2 Marshal 序列化队列

Marshal 作为备选的序列化方案，实现如下：

# 创建 marshal 序列化的磁盘队列
_MarshalFifoSerializationDiskQueue = _serializable_queue(_with_mkdir(queue.FifoDiskQueue), marshal.dumps, marshal.loads
)_MarshalLifoSerializationDiskQueue = _serializable_queue(_with_mkdir(queue.LifoDiskQueue), marshal.dumps, marshal.loads
)

4. 序列化方案对比

4.1 Pickle vs Marshal 在 Scrapy 中的应用

1. Pickle 的优势：

   • 支持更多的 Python 数据类型
   • 可以序列化自定义类和对象
   • 支持对象引用和循环引用
   • 版本兼容性更好

2. Marshal 的优势：

   • 序列化速度更快
   • 内存占用更少
   • 实现更简单，安全性较高

4.2 为什么提供两种序列化方案？

1. 性能考虑：

   • Marshal 序列化速度快，适合简单数据结构
   • Pickle 功能更强大，适合复杂对象

2. 兼容性考虑：

   • Pickle 支持自定义类的序列化
   • Marshal 只支持基本数据类型

3. 安全性考虑：

   • Marshal 更安全，不支持代码执行
   • Pickle 需要注意安全风险

5. 队列的实际应用

5.1 在调度器中的使用

# 在 settings.py 中配置队列类型
SCHEDULER_DISK_QUEUE = "scrapy.squeues.PickleLifoDiskQueue"
SCHEDULER_MEMORY_QUEUE = "scrapy.squeues.LifoMemoryQueue"

5.2 队列选择策略

1. 请求入队逻辑：

def enqueue_request(self, request):if not request.dont_filter and self.df.request_seen(request):return Falsedqok = self._dqpush(request)  # 优先尝试放入磁盘队列if dqok:self.stats.inc_value("scheduler/enqueued/disk")else:self._mqpush(request)  # 磁盘队列失败则放入内存队列self.stats.inc_value("scheduler/enqueued/memory")return True

2. 请求出队逻辑：

def next_request(self):request = self.mqs.pop()  # 优先从内存队列获取if request:self.stats.inc_value("scheduler/dequeued/memory")else:request = self._dqpop()  # 内存队列为空则从磁盘队列获取if request:self.stats.inc_value("scheduler/dequeued/disk")return request

6. 最佳实践

1. 队列类型选择：

   • 小规模爬虫：使用内存队列即可
   • 大规模爬虫：使用磁盘队列保证可靠性
   • 需要暂停恢复：必须使用磁盘队列

2. 序列化方案选择：

   • 简单请求：可以使用 Marshal 序列化
   • 复杂请求：建议使用 Pickle 序列化
   • 注重性能：选择 Marshal
   • 注重功能：选择 Pickle

3. 性能优化：

   • 合理设置并发数
   • 适当调整队列类型
   • 根据数据复杂度选择序列化方案

7. 注意事项

1. 安全性：

   • 使用 Pickle 时注意反序列化安全
   • 不要处理不信任来源的序列化数据

2. 性能：

   • 磁盘队列会带来 I/O 开销
   • 序列化/反序列化会消耗 CPU

3. 可靠性：

   • 定期备份磁盘队列数据
   • 处理序列化异常
   • 考虑磁盘空间限制