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使用C#实现蜘蛛程序

"蜘蛛"(Spider)是Internet上一种很有用的程序,搜索引擎利用蜘蛛程序将Web页面收集到数据库,企业利用蜘蛛程序监视竞争对手的网站并跟踪变动,个人用户用蜘蛛程序下载Web页面以便脱机使用,开发者利用蜘蛛程序扫描自己的Web检查无效的链接……对于不同的用户,蜘蛛程序有不同的用途。那么,蜘蛛程序到底是怎样工作的呢?

  蜘蛛是一种半自动的程序,就象现实当中的蜘蛛在它的Web(蜘蛛网)上旅行一样,蜘蛛程序也按照类似的方式在Web链接织成的网上旅行。蜘蛛程序之所以是半自动的,是因为它总是需要一个初始链接(出发点),但此后的运行情况就要由它自己决定了,蜘蛛程序会扫描起始页面包含的链接,然后访问这些链接指向的页面,再分析和追踪那些页面包含的链接。从理论上看,最终蜘蛛程序会访问到Internet上的每一个页面,因为Internet上几乎每一个页面总是被其他或多或少的页面引用。

  本文介绍如何用C#语言构造一个蜘蛛程序,它能够把整个网站的内容下载到某个指定的目录,程序的运行界面如图一。你可以方便地利用本文提供的几个核心类构造出自己的蜘蛛程序。   C#特别适合于构造蜘蛛程序,这是因为它已经内置了HTTP访问和多线程的能力,而这两种能力对于蜘蛛程序来说都是非常关键的。下面是构造一个蜘蛛程序要解决的关键问题:

  ⑴ HTML分析:需要某种HTML解析器来分析蜘蛛程序遇到的每一个页面。

  ⑵ 页面处理:需要处理每一个下载得到的页面。下载得到的内容可能要保存到磁盘,或者进一步分析处理。

  ⑶ 多线程:只有拥有多线程能力,蜘蛛程序才能真正做到高效。

  ⑷ 确定何时完成:不要小看这个问题,确定任务是否已经完成并不简单,尤其是在多线程环境下。

  一、HTML解析

  C#语言本身不包含解析HTML的能力,但支持XML解析;不过,XML有着严格的语法,为XML设计的解析器对HTML来说根本没用,因为HTML的语法要宽松得多。为此,我们需要自己设计一个HTML解析器。本文提供的解析器是高度独立的,你可以方便地将它用于其它用C#处理HTML的场合。

  本文提供的HTML解析器由ParseHTML类实现,使用非常方便:首先创建该类的一个实例,然后将它的Source属性设置为要解析的HTML文档:

ParseHTML parse = new ParseHTML();
parse.Source = " 
Hello World
"; 

  接下来就可以利用循环来检查HTML文档包含的所有文本和标记。通常,检查过程可以从一个测试Eof方法的while循环开始:

while(!parse.Eof())
{
char ch = parse.Parse();

  Parse方法将返回HTML文档包含的字符--它返回的内容只包含那些非HTML标记的字符,如果遇到了HTML标记,Parse方法将返回0值,表示现在遇到了一个HTML标记。遇到一个标记之后,我们可以用GetTag()方法来处理它。

if(ch==0)
{
HTMLTag tag = parse.GetTag();
}

  一般地,蜘蛛程序最重要的任务之一就是找出各个HREF属性,这可以借助C#的索引功能完成。例如,下面的代码将提取出HREF属性的值(如果存在的话)。

Attribute href = tag["HREF"];
string link = href.Value;

  获得Attribute对象之后,通过Attribute.Value可以得到该属性的值。

二、处理HTML页面

  下面来看看如何处理HTML页面。首先要做的当然是下载HTML页面,这可以通过C#提供的HttpWebRequest类实现:

HttpWebRequest request = (HttpWebRequest)WebRequest.Create(m_uri);
response = request.GetResponse();
stream = response.GetResponseStream();

  接下来我们就从request创建一个stream流。在执行其他处理之前,我们要先确定该文件是二进制文件还是文本文件,不同的文件类型处理方式也不同。下面的代码确定该文件是否为二进制文件。

if( !response.ContentType.ToLower().StartsWith("text/") )
{
SaveBinaryFile(response);
return null;
}
string buffer = "",line;

  如果该文件不是文本文件,我们将它作为二进制文件读入。如果是文本文件,首先从stream创建一个StreamReader,然后将文本文件的内容一行一行加入缓冲区。

reader = new StreamReader(stream);
while( (line = reader.ReadLine())!=null )
{
buffer+=line+"\r\n";
}

  装入整个文件之后,接着就要把它保存为文本文件。

SaveTextFile(buffer);

  下面来看看这两类不同文件的存储方式。

  二进制文件的内容类型声明不以"text/"开头,蜘蛛程序直接把二进制文件保存到磁盘,不必进行额外的处理,这是因为二进制文件不包含HTML,因此也不会再有需要蜘蛛程序处理的HTML链接。下面是写入二进制文件的步骤。

  首先准备一个缓冲区临时地保存二进制文件的内容。 byte []buffer = new byte[1024];   接下来要确定文件保存到本地的路径和名称。如果要把一个myhost.com网站的内容下载到本地的c:\test文件夹,二进制文件的网上路径和名称是http://myhost.com/images/logo.gif,则本地路径和名称应当是c:\test\images\logo.gif。与此同时,我们还要确保c:\test目录下已经创建了images子目录。这部分任务由convertFilename方法完成。

string filename = convertFilename( response.ResponseUri );

  convertFilename方法分离HTTP地址,创建相应的目录结构。确定了输出文件的名字和路径之后就可以打开读取Web页面的输入流、写入本地文件的输出流。

Stream outStream = File.Create( filename );
Stream inStream = response.GetResponseStream();

  接下来就可以读取Web文件的内容并写入到本地文件,这可以通过一个循环方便地完成。

int l;
do
{
l = inStream.Read(buffer,0,
buffer.Length);
if(l>0)
outStream.Write(buffer,0,l);
} while(l>0);

  写入整个文件之后,关闭输入流、输出流。

outStream.Close();
inStream.Close();

  比较而言,下载文本文件更容易一些。文本文件的内容类型总是以"text/"开头。假设文件已被下载并保存到了一个字符串,这个字符串可以用来分析网页包含的链接,当然也可以保存为磁盘上的文件。下面代码的任务就是保存文本文件。

string filename = convertFilename( m_uri );
StreamWriter outStream = new StreamWriter( filename );
outStream.Write(buffer);
outStream.Close();

  在这里,我们首先打开一个文件输出流,然后将缓冲区的内容写入流,最后关闭文件。

  三、多线程

  多线程使得计算机看起来就象能够同时执行一个以上的操作,不过,除非计算机包含多个处理器,否则,所谓的同时执行多个操作仅仅是一种模拟出来的效果--靠计算机在多个线程之间快速切换达到"同时"执行多个操作的效果。一般而言,只有在两种情况下多线程才能事实上提高程序运行的速度。第一种情况是计算机拥有多个处理器,第二种情况是程序经常要等待某个外部事件。

  对于蜘蛛程序来说,第二种情况正是它的典型特征之一,它每发出一个URL请求,总是要等待文件下载完毕,然后再请求下一个URL。如果蜘蛛程序能够同时请求多个URL,显然能够有效地减少总下载时间。

  为此,我们用DocumentWorker类封装所有下载一个URL的操作。每当一个DocumentWorker的实例被创建,它就进入循环,等待下一个要处理的URL。下面是DocumentWorker的主循环:

while(!m_spider.Quit )
{
m_uri = m_spider.ObtainWork();
m_spider.SpiderDone.WorkerBegin();
string page = GetPage();
if(page!=null)
ProcessPage(page);
m_spider.SpiderDone.WorkerEnd();
} 

  这个循环将一直运行,直至Quit标记被设置成了true(当用户点击"Cancel"按钮时,Quit标记就被设置成true)。在循环之内,我们调用ObtainWork获取一个URL。ObtainWork将一直等待,直到有一个URL可用--这要由其他线程解析文档并寻找链接才能获得。Done类利用WorkerBegin和WorkerEnd方法来确定何时整个下载操作已经完成。

  从图一可以看出,蜘蛛程序允许用户自己确定要使用的线程数量。在实践中,线程的最佳数量受许多因素影响。如果你的机器性能较高,或者有两个处理器,可以设置较多的线程数量;反之,如果网络带宽、机器性能有限,设置太多的线程数量其实不一定能够提高性能。

  四、任务完成了吗?

  利用多个线程同时下载文件有效地提高了性能,但也带来了线程管理方面的问题。其中最复杂的一个问题是:蜘蛛程序何时才算完成了工作?在这里我们要借助一个专用的类Done来判断。

  首先有必要说明一下"完成工作"的具体含义。只有当系统中不存在等待下载的URL,而且所有工作线程都已经结束其处理工作时,蜘蛛程序的工作才算完成。也就是说,完成工作意味着已经没有等待下载和正在下载的URL。

  Done类提供了一个WaitDone方法,它的功能是一直等待,直到Done对象检测到蜘蛛程序已完成工作。下面是WaitDone方法的代码。

public void WaitDone()
{
Monitor.Enter(this);
while ( m_activeThreads>0 )
{
Monitor.Wait(this);
}
Monitor.Exit(this);
}

  WaitDone方法将一直等待,直到不再有活动的线程。但必须注意的是,下载开始的最初阶段也没有任何活动的线程,所以很容易造成蜘蛛程序一开始就立即停止的现象。为解决这个问题,我们还需要另一个方法WaitBegin来等待蜘蛛程序进入"正式的"工作阶段。一般的调用次序是:先调用WaitBegin,再接着调用WaitDone,WaitDone将等待蜘蛛程序完成工作。下面是WaitBegin的代码:

public void WaitBegin()
{
Monitor.Enter(this);
while ( !m_started )
{
Monitor.Wait(this);
}
Monitor.Exit(this);
}

  WaitBegin方法将一直等待,直到m_started标记被设置。m_started标记是由WorkerBegin方法设置的。工作线程在开始处理各个URL之时,会调用WorkerBegin;处理结束时调用WorkerEnd。WorkerBegin和WorkerEnd这两个方法帮助Done对象确定当前的工作状态。下面是WorkerBegin方法的代码:

public void WorkerBegin()
{
Monitor.Enter(this);
m_activeThreads++;
m_started = true;
Monitor.Pulse(this);
Monitor.Exit(this);
} 

  WorkerBegin方法首先增加当前活动线程的数量,接着设置m_started标记,最后调用Pulse方法以通知(可能存在的)等待工作线程启动的线程。如前所述,可能等待Done对象的方法是WaitBegin方法。每处理完一个URL,WorkerEnd方法会被调用:

public void WorkerEnd()
{
Monitor.Enter(this);
m_activeThreads--;
Monitor.Pulse(this);
Monitor.Exit(this);
}

  WorkerEnd方法减小m_activeThreads活动线程计数器,调用Pulse释放可能在等待Done对象的线程--如前所述,可能在等待Done对象的方法是WaitDone方法。

  结束语:本文介绍了开发Internet蜘蛛程序的基础知识,下面提供的源代码将帮助你进一步深入理解本文的主题。这里提供的代码非常灵活,你可以方便地将它用于自己的程序。

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