Question

并行系统看起来与管道系统很相似。在计算机科学中，我们使用队列符号来表示队列以及处理中的元素（见图10.1左侧）。队列系统的基本法则是利特尔法则，该法则认为在稳定状态下，队列系统中的元素数量（N）等于系统吞吐量（T）乘以总排队/服务时间（S），即N = T · S。另外两种形式是：T = N / S以及S = N / T，在计算中同样有用。

图10.1　利特尔法则、队列系统以及管道

在管道的几何形状中也有相似的法则（见图10.1右侧）。管道容量（V）等于管道长度L乘以横截面面积（A），即V = L·A。

如果我们想象长度表示服务时间（L～S），容量表示处理系统的元素数量（V～N），横截面面积表示吞吐量（A～N），那么利特尔法则和容量公式实际是相同的事情。

这个类比有道理吗？答案是差不多。如果我们将工作单位想象为小滴液体，以恒定速率在管道内部移动，那么L～S绝对有意义，因为管道越长，水滴移动花费的时间越多。V～N同样有意义，因为管道越大，能够容纳的水滴越多。烦人的是，我们还可以通过施加更大压力的方式压入更多水滴。A～T是不太满足类比的一点。在管道中，实际吞吐量，即每秒进出管道的水滴数量，被称为“体积流量”，除非满足特定条件（孔口），否则其与A²成正比，而不是A。这是因为更宽的管道不只意味着有更多的液体流出，还会使液体流动更快，因为管壁之间存在更大的空间。不过为了本章的学习，我们可以忽略这些技术细节，而是假设生活在一个理想的世界中，在这里压力和速度都是常量，并且吞吐量与横截面面积直接成正比。

利特尔法则和这个简单的体积公式非常相似，这就使得该“管道模型”非常直观有用。让我们更详细地看一下图10.1中的示例（右侧）。假设管道系统表示Scrapy的下载器。第一个非常“细”的下载器，其总体积/并发级别（N）可能是8个并发请求。管道长度/延迟（S）对于一个快速的网站来说，可能S=250ms。在给定N和S时，现在可以计算处理元素的体积/吞吐量，每秒请求数为T = N / S = 8 / 0.25 = 32。

你会发现延迟经常是我们无法控制的，因为它依赖于远端服务器的性能以及网络的延迟。我们比较容易控制的是下载器中并发（N）的级别，可以将其从8增长到16或32个并发请求，即10.1图中的第二个和第三个管道。对于常量的长度（超出我们控制范围之外），可以通过只增加横截面面积的方式增长体积，也就是说增加吞吐量！按照利特尔法则，16个并发请求时，我们得到的每秒请求数为T = N / S = 16 / 0.25 = 64个，而在32个并发请求时，我们得到的每秒请求数是T = N / S = 32 / 0.25 = 128个。太好了！我们似乎可以通过增加并发的方式，使系统无限快。在急于得出这样的结论之前，还需要考虑队列系统级联的影响。

10.1.1　级联队列系统

当将不同横截面面积/吞吐量的几个管道依次连接起来时，可以很直观地理解整个系统的流量将由最窄的（最小吞吐量：T）管道所限制（见图10.2）。

图10.2　不同容量的级联队列系统

你还可以观察到最窄管道（即瓶颈）的位置，决定了其他管道是如何“填满”的。如果考虑到与系统内存需求相关的填充，就会意识到瓶颈的位置是非常重要的。我们最好通过配置保持管道充满，且单个工作单元的花销最少。在Scrapy中，一个工作单元（爬取一个页面）主要是由下载器前的URL（几个字节）以及下载后的URL加上服务器响应（较大）组成。

这就是为什么在Scrapy系统中，通常将瓶颈放置在下载器中。

10.1.2　定义瓶颈

使用管道系统作为类比的一个非常重要的好处是，它在定义瓶颈的过程中更加直观。如果观察图10.2就会发现，“瓶颈”前的所有地方都是满的，而之后的所有地方都不是。

好消息是，在大多数系统中，可以相对容易地使用系统度量监控队列系统是如何填满的。通过仔细检查Scrapy的队列，我们可以了解瓶颈在什么地方，如果发现不在下载器中，则可以调整设置让其变为下载器。没有改善瓶颈的任何改进都不会带来吞吐量的收益。如果修改系统其他部分，只会让事情变得更糟，很有可能将瓶颈转移到别的地方。这个感觉有点像追尾，可能需要很长时间，并且会令你感到绝望。你必须遵循系统方法，定义瓶颈，并且需要在修改任何代码或配置之前，“知道锤子应该击中哪里”。你在大部分例子中（包括本书的大多数例子）可以看到，瓶颈不是总在人们期望的地方出现。

10.1.3　Scrapy性能模型

让我们回到Scrapy，详细看一下其性能模型（见图10.3）。

图10.3　Scrapy性能模型

Scrapy包含如下组成部分。

· 调度器：在这里，多个请求会排队等待下载器处理。它们主要由URL组成，因此会十分紧凑，这就意味着即使拥有大量URL也不会对系统有很大伤害，并且可以让我们在传入不规则请求流的情况下能够充分利用下载器。

· 限流器：这是抓取过程（大储水池）反馈的安全阀，如果正在执行的响应的总计大小超过5MB，那么它会让前往下载器的后续请求停止。这可能会导致不可预料的性能起伏。

· 下载器：这是Scrapy关于性能最重要的组成部分。它对能够并行执行的请求的数量有着复杂的限制。其延迟（管道长度）等于远程服务器响应的时间，加上所有网络/操作系统以及Python/Twisted的延迟。我们可以调整并行请求的数量，不过通常情况下，我们几乎无法控制延迟。下载器的容量由CONCURRENT_REQUESTS*设置限制，我们将会很快看到。

· 爬虫：这是抓取过程中将响应转为Item和后续请求的部分。同时这也是我们编写的部分，通常情况下，只要遵照规则，它们就不会是性能瓶颈。

· Item管道：这是我们编写的代码的第二个部分。我们的爬虫可以对每个请求生成上百个Item，同一时刻只会处理CONCURRENT_ITEMS个。该值十分重要，因为假设你在管道中要处理数据库访问，那么使用默认值（100）就可能会过高，从而在无意间拖垮数据库。

爬虫和管道都应该使用异步代码，并且在必要时引发更多的延迟，但不应因此成为瓶颈。极少情况下，我们的爬虫/管道会处理非常繁重的事情。如果发生此种情况，那么服务器的CPU可能会成为瓶颈。