《Python 网络爬虫简易速速上手小册》第5章：Python 数据存储与管理（2024 最新版）

5.1 选择数据存储方案

当我们的船满载着珍贵的数据宝藏回到港口时，我们需要一个安全可靠的地方来存放这些宝贝。这就是选择合适的数据存储方案的重要时刻了。不同的宝藏可能需要不同的宝箱——同样，不同类型的数据也需要不同的存储方案。

5.1.1 重点基础知识讲解

• 关系型数据库（RDBMS）：如 MySQL、PostgreSQL。适合存储结构化数据，强调数据之间的关系和完整性。如果你的数据需要频繁的查询和事务操作，这可能是一个好选择。
• NoSQL 数据库：如 MongoDB、Cassandra。适合存储半结构化或非结构化数据，强调可扩展性和灵活性。如果你的数据模型不断变化，或者你需要处理大量数据，NoSQL 可能更合适。
• 文件存储：如 CSV、JSON 文件。对于小型项目或数据量不大的情况，直接将数据保存为文件可能是最简单快捷的方法。文件存储易于理解和操作，但随着数据量的增长，查询和更新效率可能会成问题。

5.1.2 重点案例：使用 SQLite 存储博客文章数据

假设我们正在抓取一个博客网站，希望将文章的标题、作者和发布日期存储起来。对于这种小型项目，SQLite 是一个轻量级且易于设置的选择。

import sqlite3

# 创建或打开数据库
conn = sqlite3.connect('blog_articles.db')
c = conn.cursor()

# 创建表
c.execute('''CREATE TABLE IF NOT EXISTS articles
             (title TEXT, author TEXT, publish_date TEXT)''')

# 插入数据
c.execute("INSERT INTO articles VALUES ('Python Tips', 'Jane Doe', '2021-07-01')")

# 保存（提交）更改
conn.commit()

# 关闭连接
conn.close()

5.1.3 拓展案例 1：使用 MongoDB 存储社交媒体动态

当我们需要抓取并存储社交媒体上的动态信息时，这些数据往往是半结构化的，并且数据模型可能会频繁变化。在这种情况下，MongoDB 提供了足够的灵活性和可扩展性。

from pymongo import MongoClient

# 连接到 MongoDB
client = MongoClient('mongodb://localhost:27017/')

# 选择数据库和集合
db = client['social_media']
collection = db['posts']

# 插入数据
post_data = {
    'user': 'johndoe',
    'text': 'Exploring MongoDB with Python!',
    'tags': ['mongodb', 'python', 'database']
}
collection.insert_one(post_data)

5.1.4 拓展案例 2：使用 Elasticsearch 存储和检索日志数据

对于需要快速检索的大量文本数据（如日志文件），Elasticsearch 提供了强大的全文搜索能力和实时分析。

from elasticsearch import Elasticsearch

# 连接到 Elasticsearch
es = Elasticsearch(['http://localhost:9200'])

# 插入数据
log_data = {
    'timestamp': '2021-07-01T12:00:00',
    'level': 'INFO',
    'message': 'Starting web server'
}
es.index(index='logs', body=log_data)

# 检索数据
res = es.search(index="logs", body={"query": {"match": {'level': 'INFO'}}})
print(res['hits']['hits'])

通过掌握这些存储方案，你将能够为你的数据宝藏选择最合适的“宝箱”，无论是宝石还是古董，都可以得到妥善的保护和管理。选择正确的数据存储方案，让你的数据宝藏更加安全、易于访问和使用。

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5.2 数据清洗与预处理

在数据的宝库中，不是所有的宝石都是闪亮的，也不是所有的金子都是纯净的。同样，在我们抓取的数据中，也充满了各种“杂质”——无效数据、错误、缺失值等。在这一部分，我们将学习如何成为一名数据的炼金术士，将这些原始的、粗糙的数据“炼化”成干净、有用的信息。

5.2.1 重点基础知识讲解

• 去除无效数据：无效数据包括空白字符、无意义的占位符等。这些数据对分析没有任何帮助，甚至会引起错误。
• 格式化和类型转换：确保数据的格式和类型符合我们的需求，例如将字符串格式的日期转换为日期类型，可以让我们更方便地进行日期计算。
• 处理缺失值：数据中的缺失值可以通过多种方法处理，包括删除、填充默认值或使用统计方法（如平均值、中位数）估算。
• 数据规范化：为了便于比较或后续处理，有时需要将数据规范化到特定的范围或格式。

5.2.2 重点案例：清洗抓取的评论数据

假设我们抓取了一系列产品评论，但这些评论包含了大量的空格、HTML 标签等无效信息，我们需要清洗这些数据。

from bs4 import BeautifulSoup
import re

# 假设这是我们抓取的一条评论
raw_comment = "   
这是一条非常好的评论！
    "

# 使用 BeautifulSoup 去除 HTML 标签
clean_comment = ''.join(BeautifulSoup(raw_comment, "html.parser").stripped_strings)

# 进一步去除前后空格
clean_comment = clean_comment.strip()

print(clean_comment)  # 输出: "这是一条非常好的评论！"

5.2.3 拓展案例 1：格式化日期数据

在处理抓取的数据时，我们可能遇到各种格式的日期数据，需要将它们统一格式化为 Python 的日期类型。

from datetime import datetime

# 假设我们抓取的日期是字符串格式
raw_date = "2021-07-01"

# 将字符串格式的日期转换为 datetime 类型
formatted_date = datetime.strptime(raw_date, "%Y-%m-%d")

print(formatted_date)  # 输出: 2021-07-01 00:00:00

5.2.4 拓展案例 2：处理缺失值

在抓取的数据中，经常会遇到缺失值，尤其是在大规模的数据集中。处理这些缺失值是数据清洗的重要步骤。

import pandas as pd
import numpy as np

# 创建一个包含缺失值的 DataFrame
df = pd.DataFrame({
    'name': ['产品A', '产品B', np.nan, '产品D'],
    'price': [10, 20, 15, np.nan]
})

# 填充缺失的产品名称为 "未知产品"
df['name'].fillna('未知产品', inplace=True)

# 填充缺失的价格为列的平均值
df['price'].fillna(df['price'].mean(), inplace=True)

print(df)

通过这些案例，我们学习了如何清洗和预处理数据，确保我们的数据宝藏纯净且有用。记住，干净的数据是进行有效分析和获得有意义洞察的基础。掌握了数据清洗的技能，你就更接近成为数据分析大师了！

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5.3 数据存储最佳实践

在数据的大海中航行，我们不仅需要捕获数据，还要确保它们能够安全、有效地存储。这就像是将珍贵的宝藏安放在海盗无法触及的地方。让我们探索一些数据存储的最佳实践，确保我们的数据宝藏既安全又容易访问。

5.3.1 重点基础知识讲解

• 数据备份：定期备份数据是防止数据丢失的关键步骤。这可以通过自动化脚本或使用数据库管理系统的内置功能来实现。
• 安全性：保护数据不被未授权访问是至关重要的。这包括实施加密措施、设置强密码和使用安全的连接协议等。
• 一致性和完整性：确保数据的一致性和完整性可以避免数据冗余和潜在的错误。数据库的约束、触发器和事务都是实现这一目标的有效工具。
• 数据归档：对于不再频繁访问的旧数据，应该将其归档，以优化存储资源和提高查询性能。

5.3.2 重点案例：自动化数据库备份

假设我们正在运行一个在线商店，并且使用 MySQL 数据库来存储产品信息和用户订单。为了防止数据丢失，我们需要定期备份数据库。

import os
from datetime import datetime

# 设置数据库连接信息
db_host = "localhost"
db_name = "online_store"
db_user = "user"
db_pass = "password"

# 生成备份文件名
backup_time = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d-%H-%M-%S")
backup_file = f"{db_name}-{backup_time}.sql"

# 执行备份命令
backup_cmd = f"mysqldump -u {db_user} -p{db_pass} {db_name} > {backup_file}"
os.system(backup_cmd)

print(f"数据库备份完成，文件名：{backup_file}")

5.3.3 拓展案例 1：实现数据加密

在存储包含敏感信息的数据时（如用户个人信息），加密是保护数据安全的关键。

from cryptography.fernet import Fernet

# 生成密钥
key = Fernet.generate_key()
cipher_suite = Fernet(key)

# 加密数据
user_data = "用户的敏感信息"
encrypted_data = cipher_suite.encrypt(user_data.encode())

# 解密数据
decrypted_data = cipher_suite.decrypt(encrypted_data).decode()

print(f"加密前的数据: {user_data}")
print(f"加密后的数据: {encrypted_data}")
print(f"解密后的数据: {decrypted_data}")

5.3.4 拓展案例 2：使用 MongoDB 实现数据归档

当处理日志数据或其他形式的时序数据时，归档旧数据可以帮助维持系统的性能。

from pymongo import MongoClient
from datetime import datetime, timedelta

# 连接到 MongoDB
client = MongoClient('mongodb://localhost:27017/')
db = client['log_data']

# 定义归档策略：归档 30 天前的数据
archive_date = datetime.now() - timedelta(days=30)

# 移动旧数据到归档集合
db.logs.aggregate([
    {"$match": {"timestamp": {"$lt": archive_date}}},
    {"$out": "logs_archive"}
])

print("数据归档完成。")

通过采用这些最佳实践，我们可以确保数据的安全性、可访问性和完整性。无论是定期备份，保护数据安全，还是优化存储和查询性能，这些策略都将帮助我们有效管理数据宝藏。记住，良好的数据管理习惯是成功数据分析的基石。