> Массивы чаще всего используются так 'a[i]' или так 'a[i]=...', то есть читается
> или пишется один элемент. Даже если это делается в цикле, проходящем
> по всем элементам, то это ничего не меняет, проверка нужна на
> каждое обращение.

Нет. Нужна проверка адреса на валидность перед циклом и ширины шага в самом цикле (последнее, если не заниматься  извращениями, вполне нормально проверяется компилятором).
Если за один шаг цикла мы не можем перескочить "стража" .... то проверять каждое обращение конечно можно, но только "потому что гладиолус".

> Этого можно избежать в языках с конструкциями each/foreach, которые
> избавляют от явного индексирования, но в С их нет.

Там таки обычно используются разновидности итераторов, которые или сами проверяют при каждой итерации (т.е. та же проверка, только в профиль) или, "тихой сапой", компилятором преобразуется в рановидность цикла со счетчиком.

> mprotect это очень тяжелая операция,

Никто не говорил, что mprotect так уж "легок", но
strace ls
strace time
Вполне себе применяется для "разметки" границ стека или кучи.