GIF格式

GIF(Graphics Interchange Format，图形交换格式)是由CompuServe公司开发的图形文件格式，关于GIF的资料很多，本文会强调补充一些重要知识点。

GIF文件由三部分构成：文件头(File Header)、GIF数据流(GIF Data Stream)和文件终结器(Trailer)，如下所示：

其中文件头占用6个字节，表示GIF标识符，一般为GIF87a或者GIF89a 。文件终结器占用1个字节，固定值为0x3B。

GIF是基于全局（局部）颜色列表的，每个像素存储的是该像素颜色值对应的全局（局部）颜色列表的索引值（0~255），然后经过LZW算法编码压缩后生成编码流，存储在图像块中。

GIF数据流

逻辑屏幕标识符

GIF数据流则包含了主要内容，首先是逻辑屏幕标识符，占用7个字节，如下所示：

这里的逻辑屏幕宽高就是GIF的完整宽高，背景色则是全局颜色表的索引值第5个字节各个Bit的含义如下所示：

m : 全局颜色列表标志(Global Color Table Flag)，当置位时表示有全局颜色列表，此时pixel值才有意义。
cr : 颜色深度(Color ResoluTion)，cr+1确定图象的颜色深度。
s : 分类标志(Sort Flag)，当置位时表示全局颜色列表使用分类排列。
pixel : 全局颜色列表大小，2 << pixel表示全局颜色列表的Size

全局颜色列表

紧跟在逻辑屏幕列表后面的是全局颜色列表，共占用2 << pixel * 3个字节，每个颜色由3个字节组成，分别是R、G、B颜色分，如下所示：

上述的逻辑屏幕标识符和全局颜色列表都是全局的，一个GIF文件只会存在一个。接下来的每个图像块则对应一个GIF帧。

图像块

图形控制扩展

在GIF89a版本中存在图形控制扩展，占用8个字节，一般放在一个图象块(图象标识符)或图形文本扩展块的前面，用来控制紧跟在它后面的第一个图象或文本块的渲染方式，如下所示：

其中，第一个字节0x21是GIF扩展块标识；第二个字节0xF9标识这是一个图形控制扩展块；延迟时间的单位是10ms，表示当前帧的展示时间；透明色索引指定了解码当前帧时，需要先把索引对应的全局（局部）颜色表中的颜色修改为透明色，然后解码当前帧后，再恢复成原来的颜色。第4个字节各个Bit的含义如下所示：

i : 用户输入标志(Use Input Flag)，可以是回车键、鼠标点击等事件，可以和延迟时间一起使用，在设置的延迟时间内，有用户输入事件则马上切换下一帧，否则等到延迟时间到达。
t : 透明颜色标志(Transparent Color Flag)，置位时表示当前帧使用透明色，与透明色索引搭配使用。

处置方法(Disposal Method，非常重要！！！)，表示渲染当前帧时，如何处理前一帧（根据前一帧的Disposal Method处理前一帧，而不是根据当前帧的Disposal Method处理前一帧），有以下取值：

Unspecified（0） (Nothing) : 绘制一个完整大小的、不透明的GIF帧来替换上一帧，就算连续的两帧只在局部上有细微的差异，每一帧依然是完整独立的绘制，如下所示：
Do Not Dispose（1） (Leave As Is) 1: 未被当前帧覆盖的前一帧像素将继续显示，这种方式常用于对GIF动画进行优化，当前帧只需在上一帧的基础上做局部刷新，上一帧中没有被当前帧覆盖的像素区域将继续展示。这种方式既能节省内存，也能提高解码速度，如下所示：
Restore to Background（2）: 绘制当前帧之前，会先把前一帧的绘制区域恢复成背景色，这种方式常用于优化很多帧背景相同的情况，上一帧的背景色能通过当前帧的透明区域显示，如下所示：
Restore to Previous（3） : 绘制当前帧时，会先恢复到最近一个设置为Unspecified或Do not Dispose的帧，然后再将当前帧叠加到上面，这种方式性能比较差，已经被慢慢废弃，如下所示：

最重要的理解Disposal Method的处理方式：根据前一帧的Disposal Method处理前一帧，而不是根据当前帧的Disposal Method处理前一帧。比如：某GIF有有A、B两帧，A帧Disposal Method为Restore to Background、B帧Disposal Method为Do Not Dispose，那么绘制B帧时，因为A帧Disposal Method为Restore to Background，所以需要先把A帧的绘制区域恢复成背景色，然后再绘制B帧。

图像标识符

图像标识符是一个图像块的开端，占用10个字节，第一个字节固定为0x2C，用于标识图像标识符。图像标识符定义了当前帧的偏移量、宽高等属性，如下所示：

其中，第2~9字节定义了当前帧实际的偏移量和宽高，怎么理解那？上面逻辑屏幕标识符中的宽高是GIF的完整宽高，但是因为Disposal Method的存在，当前帧可能是残差帧，也就是真实宽高是小于GIF完整宽高的，所以也就需要一个相对于GIF完整宽高的X和Y偏移量，可以参考上面Do Not Dispose的示意图。

第10字节各个Bit的含义如下所示：

m : 局部颜色列表标志(Local Color Table Flag)，当置位时表示当前帧有局部颜色列表，此时后面的pixel值才有意义。局部颜色列表紧跟在图像标识符后面，仅供当前帧使用；否则使用全局颜色列表，忽略pixel值。
i : 交织标志(Interlace Flag)，置位时紧跟在局部颜色列表后面的帧图象数据使用交织方式排列，否则使用顺序排列。
s : 分类标志(Sort Flag)，置位时表示紧跟着的局部颜色列表分类排列。
r : 保留字段，目前初始化为0
pixel : 局部颜色列表大小，2 << pixel就表示局部颜色列表的Size

局部颜色列表

若图像标识符第10字节的m Bit置位了，则这里存在局部颜色列表，共占用2 << pixel * 3个字节，每个颜色由3个字节组成，分别是R、G、B颜色分量，即与全局颜色列表的存储方式相同。只不过局部颜色列表仅供当前帧使用，解码完当前帧后，需要恢复全局颜色列表。

基于颜色列表的图像数据

首先需要明确的是图像数据存储的是经过LZW压缩算法压缩后的编码数据，由两部分组成：

LZW编码长度(LZW Minimum Code Size)
图象数据(Image Data)

LZW压缩算法有三个重要对象：数据流、编码流和编译表。编码时，数据流是输入对象（图象的光栅化数据序列），编码流就是输出对象（经过压缩运算的编码数据）；解码时，编码流则是输入对象，数据流是输出对象；而编译表则是在编码和解码时都须要用借助的对象，而图像块存储的就是编码流。

解码时，首先从图像块中取出LZW编码流，然后通过LZW算法解码成数据流（像素索引值序列），再结合全局（局部）颜色列表，就还原出了一帧图像的像素数据。

关于LZW算法，本文不做详细介绍，可以查看LZW算法。

其他扩展块

除了图形控制扩展用于控制图像块的渲染方式之外，还有其他一些扩展块，例如：

注释扩展(Comment Extension)：用来记录图形、版权等任何非图形和控制的纯文本数据，注释扩展并不影响图象数据流的处理，解码器完全可以忽略它。可以存放在数据流的任何位置，推荐放在数据流的开始或结尾。
图形文本扩展(Plain Text Extension)：用来绘制简单的文本图像，由控制绘制的参数和用来绘制的纯文本数据组成。图形文本扩展块也属于图像块，可以在它前面定义图形控制扩展控制它的渲染形式（与普通图像块类似）。因此，在统计GIF帧数时，图形文本扩展块也会当做一帧进行统计。
应用程序扩展(Application Extension)：用于应用程序定义自己的扩展信息。一般情况下，包含了GIF的循环播放次数。关于GIF元数据的解析，可以参考Fresco的GifMetadataStreamDecoder

Fresco解析GIF

Fresco支持对GIF和Webp等动图的解码和渲染，在Fresco V1.11.0版本上，解码后的动图会被封装成AnimatedDrawable2，调用AnimatedDrawable2.start()方法就开始播放了。

针对GIF，Fresco实现了两种解码方式：一种是Native解码，主要是借助giflib库在Native层进行解码，另外一种是通过系统Movie类进行解码。默认情况下，是通过giflib来解码的。若想要通过Movie进行解码，则需要引入Fresco animated-gif-lite库，同时指定解码器为GifDecoder，如下所示：

Fresco.newDraweeControllerBuilder().setImageRequest(
ImageRequestBuilder.newBuilderWithSource(imageUri)
                .setImageDecodeOptions(
                ImageDecodeOptions.newBuilder().setCustomImageDecoder(GifDecoder(true)).build()).build()
)

其中，创建GifDecoder时，若参数为true，则表示通过GifMetadataMovieDecoder简单解析GIF元数据，比较粗糙，比如：GIF播放次数固定为无限循环；否则若参数为false，则表示通过GifMetadataStreamDecoder详细解析GIF元数据。

我们先看一下Fresco加载图片的流程：

ImagePipeline获取图片时，会根据不同的请求（获取解码图片：fetchDecodedImage，或者获取未解码图片：fetchEncodedImage）生成不同的Producer Sequence，其实就是一个Producer链条，每个Producer只负责整个链条中的一环，例如：NetworkFetchProducer负责下载图片，DecodeProducer负责解码图片等。
ImagePipeline获取到Producer Sequence后，会基于它创建CloseableProducerToDataSourceAdapter，即DataSource，同时触发Producer Sequence整个链条的生产。Producer Sequence生产出结果后，会通过DataSource回调给订阅者DataSubscriber，如果是 ImagePipeline.fetchEncodedImage，那么订阅者拿到的就是CloseableReference<PooledByteBuffer>，即未解码的字节池；如果是ImagePipeline.fetchDecodedImage，那么订阅者拿到的是CloseableReference<CloseableImage>，即解码后的图片数据。
正常情况下，AbstractDraweeController会拿到解码后的图片数据：CloseableReference<CloseableImage>，然后会把它封装成Drawable（静图封装成BitmapDrawable或者OrientedDrawable；动图则封装成AnimatedDrawable2），交给DraweeHierarchy，DraweeHierarchy内部是Drawable层级数组，根据DraweeView的状态展示不同的Drawable。

然后，我们看一下ImagePipeline.fetchDecodedImage从网络获取图片时的整个Producer Sequence，如下所示：

NetworkFetchProducer : 负责从网络下载图片数据，内部持有NetworkFetcher，负责使用不同的Http框架去实现下载逻辑，例如：HttpUrlConnectionNetworkFetcher、OkHttpNetworkFetcher、VolleyNetworkFetcher等。
WebpTranscodeProducer : 因为不是所有Android平台都支持WebP，具体可以参考WebpTranscodeProducer.shouldTranscode方法，所以对于不支持WebP的平台，需要转换成jpg/png。其中无损或者带透明度的WebP（DefaultImageFormats.WEBP_LOSSLESS和DefaultImageFormats.WEBP_EXTENDED_WITH_ALPHA），需要转换成PNG，具体方法是先把WebP解码成RGBA，然后再把RGBA编码成PNG；简单或者扩展的WebP（DefaultImageFormats.WEBP_SIMPLE和DefaultImageFormats.WEBP_EXTENDED），需要转换成JPEG。具体方法是先把WebP解码成RGB，然后再把RGB编码成JPEG。
PartialDiskCacheProducer : 解下来的三个是磁盘缓存EncodedImage相关
DiskCacheWriteProducer
DiskCacheReadProducer
EncodedMemoryCacheProducer : 未解码数据的内存缓存
EncodedCacheKeyMultiplexProducer
AddImageTransformMetaDataProducer
ResizeAndRotateProducer : 负责采样和图片旋转
DecodeProducer : 上述的Producer都是基于EncodedImage，DecodeProducer会把EncodedImage解码成CloseableReference
BitmapMemoryCacheProducer : 接下来的两个是内存Bitmap缓存相关
BitmapMemoryCacheKeyMultiplexProducer
ThreadHandoffProducer : 负责切换线程
BitmapMemoryCacheGetProducer
PostprocessorProducer
PostprocessedBitmapMemoryCacheProducer
BitmapPrepareProducer

从下往上，依次持有引用；从上往下，依次返回数据。

OK，下面我们聚焦下GIF相关的逻辑，从DecodeProducer跟下去，会发现 AnimatedImageFactoryImpl.decodeGif负责把未解码数据EncodedImage解码成GifImage，GifImage就代表一个GIF，这里只会解析出GIF的元数据，不会真正解码GIF帧，等到真正展示时，才会按需解码；AnimatedImageFactoryImpl.decodeWebP负责把未解码数据EncodedImage解码成WebPImage，与GIF类似；若是使用了自定义解码器GifDecoder，则解码出的就是MovieAnimatedImage。上述三个XXXImage，都是AnimatedImage的子类，提供了动图相关的所有操作。

那怎么获取每一帧图像那？首先通过AnimatedImage.getFrame获取AnimatedImageFrame（三个子类分别是：GifFrame、WebPFrame、MovieFrame，与上述的XXXImage相对应），然后通过AnimatedImageFrame.renderFrame把GIF帧渲染到给定的Bitmap上。

这里通过GifImage和MovieFrame渲染到Bitmap时，存在很大差异。MovieFrame是通过MovieDrawer类来实现的（借助于系统类Movie），所以它渲染出来的GIF帧就是完整帧，也就是已经根据Disposal Method处理了各种残差帧逻辑，相对比较简单。而GifImage则是借助于第三方库giflib实现，通过GifImage.renderFrame获取的Bitmap是残差帧，需要自己处理Disposal Method策略。

下面，我们看下Fresco是怎么展示GIF，以及怎么处理Disposal Method的，整个调用流程是：AnimatedDrawable2.draw -> AnimationBackendDelegate.drawFrame -> BitmapAnimationBackend.drawFrame -> BitmapAnimationBackend.drawFrameOrFallback -> BitmapAnimationBackend.renderFrameInBitmap -> AnimatedDrawableBackendFrameRenderer.renderFrame -> AnimatedImageCompositor.renderFrame -> AnimatedDrawableBackendImpl.renderFrame -> AnimatedDrawableBackendImpl.renderImageDoesNotSupportScaling -> AnimatedImageFrame.renderFrame -> Native通过giflib解码。

下面，我们重点看下几个关键方法： BitmapAnimationBackend.drawFrameOrFallback：负责把某GIF完整帧渲染到给定的Canvas上，首先从缓存中查找当前完整帧；没有的话，继续查找可重用的Bitmap，然后先把当前帧绘制到Bitmap上，再把Bitmap渲染到Canvas；若没有可重用的Bitmap，则创建新Bitmap，然后先把当前帧绘制到Bitmap上，再把Bitmap渲染到Canvas；最后实在都不行的话，则返回前一帧数据。

AnimatedImageCompositor.renderFrame：负责把指定的GIF帧渲染到给定的完整尺寸的Bitmap上，需要处理各种Dispose Method和blendOperation（GIF都是进行透明度混合），关键代码如下所示：

// 生成GIF给定索引的一个完整帧
public void renderFrame(int frameNumber, Bitmap bitmap) {
    Canvas canvas = new Canvas(bitmap);
    canvas.drawColor(Color.TRANSPARENT, PorterDuff.Mode.SRC); // 清空Bitmap
    
    // If blending is required, prepare the canvas with the nearest cached frame.
    int nextIndex;
    if (!isKeyFrame(frameNumber)) {
      // Blending is required. nextIndex points to the next index to render onto the canvas. nextIndex是需要重新绘制的帧起始索引
      nextIndex = prepareCanvasWithClosestCachedFrame(frameNumber - 1, canvas);
    } else {
      // Blending isn't required. Start at the frame we're trying to render.
      nextIndex = frameNumber;
    }
    
    // Iterate from nextIndex to the frame number just preceding the one we're trying to render 从nextIndex开始一帧一阵向Canvas恢复帧数据
    // and composite them in order according to the Disposal Method.
    for (int index = nextIndex; index < frameNumber; index++) {
      AnimatedDrawableFrameInfo frameInfo = mAnimatedDrawableBackend.getFrameInfo(index);
      DisposalMethod disposalMethod = frameInfo.disposalMethod;
      if (disposalMethod == DisposalMethod.DISPOSE_TO_PREVIOUS) {
        continue;
      }
      // 不需要进行透明像素混合，则把指定帧的绘制区域用透明像素提前覆盖
      if (frameInfo.blendOperation == BlendOperation.NO_BLEND) {
        disposeToBackground(canvas, frameInfo);
      }
      // 具体的绘制某一帧
      mAnimatedDrawableBackend.renderFrame(index, canvas);
      // 向外回调某帧的Bitmap
      mCallback.onIntermediateResult(index, bitmap);
      // disposalMethod表示对当前帧的处理策略，这里为绘制下一帧做好准备：用背景色覆盖当前帧的绘制区域
      if (disposalMethod == DisposalMethod.DISPOSE_TO_BACKGROUND) { 
        disposeToBackground(canvas, frameInfo);
      }
    }

    AnimatedDrawableFrameInfo frameInfo = mAnimatedDrawableBackend.getFrameInfo(frameNumber);
    // 默认的绘制会进行像素混合，但是这里frameNumber帧不需要进行混合，那就需要把覆盖区域清除掉
    if (frameInfo.blendOperation == BlendOperation.NO_BLEND) { 
      disposeToBackground(canvas, frameInfo);
    }
    // Finally, we render the current frame. We don't dispose it.
    mAnimatedDrawableBackend.renderFrame(frameNumber, canvas);

上述代码，首先是找出生成frameNumber帧Bitmap时（详情可参考AnimatedImageCompositor.prepareCanvasWithClosestCachedFrame），需要从哪一帧开始重新绘制，然后就是处理各帧的Dispose Method，主要就是针对Restore to Background模式的帧，提前用背景色替换已绘制区域。

关键帧：当前帧是完整尺寸帧，并且当前帧的透明像素不需要跟前面的帧进行混合，即透明像素也会覆盖前面的像素；或者前一帧是完整尺寸帧，并且前一帧的Disposal Method为Restore to Background。

AnimatedDrawableBackendImpl.renderImageDoesNotSupportScaling：负责把残差帧绘制到完整尺寸帧的指定位置，代码如下所示：

  private void renderImageDoesNotSupportScaling(Canvas canvas, AnimatedImageFrame frame) {
    // 获取残差帧的宽高和起始偏移量
    int frameWidth = frame.getWidth();
    int frameHeight = frame.getHeight();
    int xOffset = frame.getXOffset();
    int yOffset = frame.getYOffset();
    synchronized (this) {
      prepareTempBitmapForThisSize(frameWidth, frameHeight);
      // 把残差帧绘制到临时的Bitmap上
      frame.renderFrame(frameWidth, frameHeight, mTempBitmap);

      // Temporary bitmap can be bigger than frame, so we should draw only rendered area of bitmap
      mRenderSrcRect.set(0, 0, frameWidth, frameHeight);
      mRenderDstRect.set(0, 0, frameWidth, frameHeight);

      // 通过Canvas的位移变换把GIF残差帧绘制到指定位置
      canvas.save();
      canvas.translate(xOffset, yOffset); 
      canvas.drawBitmap(mTempBitmap, mRenderSrcRect, mRenderDstRect, null);
      canvas.restore();
    }
  }

AnimatedImageFrame.renderFrame则负责把GIF残差帧绘制到指定的Bitmap上（生成真实尺寸的残差帧），主要是在Native层通过giflib完成的，详情可参考gif.cpp

至此，Fresco对GIF的支持就介绍完了，不得不说，Fresco真是图片处理的一座宝库！！！

参考文档